抓取機械手的動力學性能及結構有限元仿真

胡義華

(廣西科技大學 工程訓練中心， 廣西 柳州 545006)

隨著機器人技術的發(fā)展，越來越多的行業(yè)將機器人應用于某些高危險作業(yè)或者重復勞動作業(yè)中。機械手是機器人工作的主要執(zhí)行機構，能夠根據(jù)特定的指令實現(xiàn)不同的工作要求。在實際作業(yè)過程中，機械手的結構性能的安全性和可靠性對于保障作業(yè)的正常運行具有重要影響[1-2]。

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

機械手作為機器人的關鍵部件，對其結構的設計合理性進行研究，對于提升其動作可靠性具有重要意義[8]。在批量生產(chǎn)前進行機械手的有限元分析，有利于降低因設計不合理造成的生產(chǎn)風險，縮短研發(fā)周期。本文中以工業(yè)機器人技術為基礎設計一種應用于物流貨物抓取的機械手，采用有限元軟件ANSYS Workbench對該機械手的關鍵部位進行力學性能仿真分析，驗證該機械手是否滿足設計要求。

1 抓取機械手的設計要求

抓取機械手系統(tǒng)主要由液壓控制系統(tǒng)和機械執(zhí)行部件構成，機械手結構如圖1所示，主要包括機械手抓、 小臂、 大臂、 支架和底座等部件。該機械手具有五自由度。在大型物流分揀線中，機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械手的控制中心，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的指令準確完成相應的抓取動作。

圖1 抓取機械手三維結構模型

抓取機械手的結構設計應滿足以下要求：1)機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動； 2)機械手抓根據(jù)指令能實現(xiàn)夾持或者放松的功能； 3)機械手能夠滿足機械抓取物品時所承受的強度和剛度。

大臂和小臂是機械手的關鍵機械結構部位，通過它們的運動將機械手抓送到物品抓取的位置。一般來說，機械手在軸回轉過程中會因慣性作用而影響運動精度，因此在結構設計過程中要充分考慮機械手的重量，滿足機械手的動態(tài)響應。同時，機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，保證機械手不變形[9]。綜合考慮上述設計要求，該抓取機械手的大臂和小臂選用鋁合金材料，并均將其結構內(nèi)部進行一定的掏空處理，以減輕自身結構重量，同時，滿足強度和剛度要求。

2 機械手動力學性能

為了分析機械手的動力學性能，采用三維軟件Solidworks對五自由度抓取機械手的傳動部件進行簡化[10]，重點考慮運動特性相關的連桿構件，將簡化后的模型保存為igs格式，再導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中。

抓取機械手各個關節(jié)名稱及轉速如表1所示。由于機械手在運動過程中關節(jié)會產(chǎn)生接觸摩擦，因此，為了使動力學仿真更加精準，結合鋁合金材料參數(shù)，設置動摩擦系數(shù)為0.35，設計抓取物品的最大質(zhì)量為3 kg，仿真時間設置為15 s，得到機械手各關節(jié)轉矩 、角速度以及角加速度的仿真結果，如圖2所示。

表1 抓取機械手關節(jié)名稱及轉速

從圖2(a)可以看出，關節(jié)1的轉矩波動幅度最大，這主要與其所受載荷有關，其他各關節(jié)轉矩變化相對比較平穩(wěn)， 波動較小。 從圖2(b)可以看出， 關節(jié)1的角速度為0，這是因為轉動軸與腰部的質(zhì)心是重合的，其他關節(jié)的變化比較平穩(wěn)，只在工作運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， 在機械臂的運行過程中，所有關節(jié)的角加速度變化也相對比較平穩(wěn)，除了機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，說明該機械臂結構參數(shù)的設計能夠滿足性能要求。

(a)轉矩

3 關鍵部位的力學特性有限元分析

3.1 關鍵構件的結構受力分析

機械手結構中小臂的作用是連接大臂和機械手抓裝置，因此小臂在運動過程中所承受的載荷大小和變形量是不一樣的。當小臂構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件的自重G1、左側的最大轉矩M1以及右側載荷產(chǎn)生的外力F1，其中最大轉矩M1根據(jù)動力學仿真結果中的關節(jié)轉矩轉換成載荷求解得出，右側載荷產(chǎn)生的外力F1主要為機械臂腕部對小臂產(chǎn)生的反作用力。根據(jù)力的平衡原理，有如下關系式：

G1—小臂構件的自重； M1—左側的最大轉矩；F1—右側外載荷產(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。

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

G2—大臂構件的自重； M2—左側的最大轉矩；F2—右側載荷產(chǎn)生的外力； O′—質(zhì)心。

(3)

(4)

3.2 關鍵構件的結構有限元分析

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

圖5、 6所示分別為小臂構件和大臂構件有限元分析結果。 從等效應力分布云圖和變形云圖可看出： 小臂構件的最大等效應力為62.9 MPa， 小于鋁合金材料自身應力強度， 最大變形量為0.011 mm，即小臂構件的結構設計可以滿足機械手的機械性能要求。大臂構件的最大等效應力為32.9 MPa，最大變形量為0.004 mm，同樣滿足機械手的設計要求，即該機械臂關鍵構件在危險位置均能夠滿足結構設計要求。

為了進一步研究大臂、 小臂構件的振動性能， 對大臂、 小臂構件進行模態(tài)分析， 通過分析大臂、 小臂構件的固有頻率和主振型來判別其結構設計的合理性。 表2所示為小臂構件和大臂構件前五階固有頻率情況， 圖7為小臂和大臂構件的一階模態(tài)振型圖。

表2 機械手關鍵構件的固有頻率

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

4 結語

1)本文中對應用于物流貨物抓取的機械手進行了結構設計， 重點介紹了該機械手關鍵部位大臂和小臂構件的結構設計， 以實現(xiàn)良好的物流貨物抓取功能。

2)分析了機械手關鍵構件在危險位置的受力特點，利用有限元軟件模擬分析了大臂和小臂構件的受力和變形量，結果表明，該構件結構能夠滿足機械手的運動要求。

3)對機械手關鍵構件結構進行了模態(tài)分析，結果表明，大臂構件和小臂構件在作業(yè)過程中不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，具有良好的動力學性能。