胡義華

(廣西科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 廣西 柳州 545006)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的行業(yè)將機(jī)器人應(yīng)用于某些高危險(xiǎn)作業(yè)或者重復(fù)勞動作業(yè)中。機(jī)械手是機(jī)器人工作的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠根據(jù)特定的指令實(shí)現(xiàn)不同的工作要求。在實(shí)際作業(yè)過程中，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)性能的安全性和可靠性對于保障作業(yè)的正常運(yùn)行具有重要影響[1-2]。

目前國內(nèi)外針對機(jī)械手結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)較多。Rong等[3]開發(fā)了一種應(yīng)用于煤礦井下探測的機(jī)器人，能夠在惡劣的環(huán)境下完成相應(yīng)的探測動作。于濤等[4]、 王戰(zhàn)中等[5]對自動上下料機(jī)械臂進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析，分析其沖擊和振動性能。李琪[6]對機(jī)械手的運(yùn)動特征進(jìn)行了仿真分析，通過分析單個運(yùn)動體所受的水動力，分析了水動力對機(jī)械手各關(guān)節(jié)的力矩變化情況。朱華炳等[7]建立了機(jī)械手連桿坐標(biāo)系和運(yùn)動學(xué)方程，利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(ADAMS)軟件對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了動力學(xué)仿真，得出了機(jī)器人末端點(diǎn)運(yùn)動的位移和速度曲線，為機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

機(jī)械手作為機(jī)器人的關(guān)鍵部件，對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行研究，對于提升其動作可靠性具有重要意義[8]。在批量生產(chǎn)前進(jìn)行機(jī)械手的有限元分析，有利于降低因設(shè)計(jì)不合理造成的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，縮短研發(fā)周期。本文中以工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于物流貨物抓取的機(jī)械手，采用有限元軟件ANSYS Workbench對該機(jī)械手的關(guān)鍵部位進(jìn)行力學(xué)性能仿真分析，驗(yàn)證該機(jī)械手是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 抓取機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求

抓取機(jī)械手系統(tǒng)主要由液壓控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行部件構(gòu)成，機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)械手抓、 小臂、 大臂、 支架和底座等部件。該機(jī)械手具有五自由度。在大型物流分揀線中，機(jī)械手首先要識別周邊物品的位置信息，并將這些信息反饋到機(jī)械手的控制中心，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的指令準(zhǔn)確完成相應(yīng)的抓取動作。

圖1 抓取機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)模型

抓取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：1)機(jī)械大臂和小臂能夠根據(jù)指令完成規(guī)定的動作，比如向上或者向下運(yùn)動； 2)機(jī)械手抓根據(jù)指令能實(shí)現(xiàn)夾持或者放松的功能； 3)機(jī)械手能夠滿足機(jī)械抓取物品時所承受的強(qiáng)度和剛度。

大臂和小臂是機(jī)械手的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)部位，通過它們的運(yùn)動將機(jī)械手抓送到物品抓取的位置。一般來說，機(jī)械手在軸回轉(zhuǎn)過程中會因慣性作用而影響運(yùn)動精度，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要充分考慮機(jī)械手的重量，滿足機(jī)械手的動態(tài)響應(yīng)。同時，機(jī)械手在抓取物品過程中需要承受一定的外部載荷，因此所用材料要滿足一定的剛度要求，保證機(jī)械手不變形[9]。綜合考慮上述設(shè)計(jì)要求，該抓取機(jī)械手的大臂和小臂選用鋁合金材料，并均將其結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行一定的掏空處理，以減輕自身結(jié)構(gòu)重量，同時，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

2 機(jī)械手動力學(xué)性能

為了分析機(jī)械手的動力學(xué)性能，采用三維軟件Solidworks對五自由度抓取機(jī)械手的傳動部件進(jìn)行簡化[10]，重點(diǎn)考慮運(yùn)動特性相關(guān)的連桿構(gòu)件，將簡化后的模型保存為igs格式，再導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。

抓取機(jī)械手各個關(guān)節(jié)名稱及轉(zhuǎn)速如表1所示。由于機(jī)械手在運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)會產(chǎn)生接觸摩擦，因此，為了使動力學(xué)仿真更加精準(zhǔn)，結(jié)合鋁合金材料參數(shù)，設(shè)置動摩擦系數(shù)為0.35，設(shè)計(jì)抓取物品的最大質(zhì)量為3 kg，仿真時間設(shè)置為15 s，得到機(jī)械手各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 、角速度以及角加速度的仿真結(jié)果，如圖2所示。

表1 抓取機(jī)械手關(guān)節(jié)名稱及轉(zhuǎn)速

從圖2(a)可以看出，關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)矩波動幅度最大，這主要與其所受載荷有關(guān)，其他各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩變化相對比較平穩(wěn)， 波動較小。 從圖2(b)可以看出， 關(guān)節(jié)1的角速度為0，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)動軸與腰部的質(zhì)心是重合的，其他關(guān)節(jié)的變化比較平穩(wěn)，只在工作運(yùn)行的初始位置和最終位置角速度有突變情況。從圖2(c)可以看出， 在機(jī)械臂的運(yùn)行過程中，所有關(guān)節(jié)的角加速度變化也相對比較平穩(wěn)，除了機(jī)械臂在啟動過程有急劇變化外，其他位置沒有發(fā)生突變現(xiàn)象，符合大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的需求，說明該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)能夠滿足性能要求。

(a)轉(zhuǎn)矩

3 關(guān)鍵部位的力學(xué)特性有限元分析

3.1 關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)受力分析

機(jī)械手結(jié)構(gòu)中小臂的作用是連接大臂和機(jī)械手抓裝置，因此小臂在運(yùn)動過程中所承受的載荷大小和變形量是不一樣的。當(dāng)小臂構(gòu)件位置處于水平狀態(tài)時，其所受載荷最大，產(chǎn)生的變形量也最大。圖3所示為小臂處于水平位置時的受力分析。從圖可以看出，小臂在水平位置主要承受的載荷有小臂構(gòu)件的自重G1、左側(cè)的最大轉(zhuǎn)矩M1以及右側(cè)載荷產(chǎn)生的外力F1，其中最大轉(zhuǎn)矩M1根據(jù)動力學(xué)仿真結(jié)果中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成載荷求解得出，右側(cè)載荷產(chǎn)生的外力F1主要為機(jī)械臂腕部對小臂產(chǎn)生的反作用力。根據(jù)力的平衡原理，有如下關(guān)系式：

G1—小臂構(gòu)件的自重； M1—左側(cè)的最大轉(zhuǎn)矩；F1—右側(cè)外載荷產(chǎn)生的外力； O—質(zhì)心。

F1=G1+M1/|OO2|

,

(1)

M1=G1·|OO1|

,

(2)

式中|OO1|、 |OO2|分別為小臂的質(zhì)心到小臂兩端的距離。

大臂是機(jī)械手的重要支撐構(gòu)件，其剛度和強(qiáng)度特性直接影響機(jī)械手抓的位置精度。大臂構(gòu)件處于水平位置時為危險(xiǎn)位置，若危險(xiǎn)位置的力學(xué)特性能夠滿足要求，則其他位置也就能夠滿足運(yùn)動要求。圖4所示為大臂處于水平位置時的受力圖。由圖可以看出，大臂構(gòu)件的受力載荷與小臂構(gòu)件的受力載荷類似，主要承受的載荷有大臂構(gòu)件的自重G2、左側(cè)的最大轉(zhuǎn)矩M2以及右側(cè)載荷產(chǎn)生的外力F2，其中最大轉(zhuǎn)矩M2根據(jù)動力學(xué)仿真結(jié)果中的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成載荷求解得出，右側(cè)載荷產(chǎn)生的外力F2主要為大臂構(gòu)件受到的反作用，同樣有如下平衡關(guān)系式：

G2—大臂構(gòu)件的自重； M2—左側(cè)的最大轉(zhuǎn)矩；F2—右側(cè)載荷產(chǎn)生的外力； O′—質(zhì)心。

(3)

(4)

3.2 關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)大臂構(gòu)件和小臂構(gòu)件的受力分析， 分別建立有限元分析模型。 大臂構(gòu)件和小臂構(gòu)件均采用6061-T6鋁合金， 密度為2.8 g/cm3，彈性模量設(shè)定為70 GPa， 泊松比為0.3， 極限強(qiáng)度為180 MPa， 同時設(shè)置有限元模型中約束邊界條件。 根據(jù)受力特點(diǎn)進(jìn)行加載， 該機(jī)械手設(shè)計(jì)抓取物品的最大載荷為30 N。

圖5、 6所示分別為小臂構(gòu)件和大臂構(gòu)件有限元分析結(jié)果。 從等效應(yīng)力分布云圖和變形云圖可看出： 小臂構(gòu)件的最大等效應(yīng)力為62.9 MPa， 小于鋁合金材料自身應(yīng)力強(qiáng)度， 最大變形量為0.011 mm，即小臂構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足機(jī)械手的機(jī)械性能要求。大臂構(gòu)件的最大等效應(yīng)力為32.9 MPa，最大變形量為0.004 mm，同樣滿足機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，即該機(jī)械臂關(guān)鍵構(gòu)件在危險(xiǎn)位置均能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

為了進(jìn)一步研究大臂、 小臂構(gòu)件的振動性能， 對大臂、 小臂構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析， 通過分析大臂、 小臂構(gòu)件的固有頻率和主振型來判別其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。 表2所示為小臂構(gòu)件和大臂構(gòu)件前五階固有頻率情況， 圖7為小臂和大臂構(gòu)件的一階模態(tài)振型圖。

表2 機(jī)械手關(guān)鍵構(gòu)件的固有頻率

從關(guān)鍵構(gòu)件的模態(tài)分析來看，根據(jù)該機(jī)械手的轉(zhuǎn)速情況，本文中小臂和大臂選用的轉(zhuǎn)動頻率為1 Hz， 遠(yuǎn)小于其一階固有頻率，即小臂構(gòu)件在作業(yè)過程中不會存在共振的現(xiàn)象。同樣，大臂構(gòu)件的作業(yè)頻率也小于其一階固有頻率，在實(shí)際工作過程中不會出現(xiàn)共振。由于抓取機(jī)械臂的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速較低，因此機(jī)械臂在工作過程中都不可能達(dá)到第二—五階固有頻率的共振區(qū)，從而避免構(gòu)件在作業(yè)過程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象，也說明該機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足抓取工作性能要求。

4 結(jié)語

1)本文中對應(yīng)用于物流貨物抓取的機(jī)械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 重點(diǎn)介紹了該機(jī)械手關(guān)鍵部位大臂和小臂構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 以實(shí)現(xiàn)良好的物流貨物抓取功能。

2)分析了機(jī)械手關(guān)鍵構(gòu)件在危險(xiǎn)位置的受力特點(diǎn)，利用有限元軟件模擬分析了大臂和小臂構(gòu)件的受力和變形量，結(jié)果表明，該構(gòu)件結(jié)構(gòu)能夠滿足機(jī)械手的運(yùn)動要求。

3)對機(jī)械手關(guān)鍵構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明，大臂構(gòu)件和小臂構(gòu)件在作業(yè)過程中不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，具有良好的動力學(xué)性能。