主從機械手關鍵部位的結構分析與優(yōu)化

尚維忠

摘要：伴隨人類社會的快速進步與發(fā)展，所需消耗的資源能源量也愈來愈大。作為成本低、儲量大的一種清潔能源，核能現(xiàn)已引起了國際上的廣泛重視，近年來，還掀起了開發(fā)利用核能的一番熱潮。但核輻射性卻令操作人員無法近距離地安全管維核設施或者處置核廢料，所以主從機械手被廣泛用于完成這些任務。而伴隨時代的變遷，主從機械手也獲得了更加廣泛的應用，而出現(xiàn)在人們的生活中。所以，針對主從機械手展開的課題研究，具有很明顯的現(xiàn)實意義，能夠代替人類在不適合出現(xiàn)的地方，完成相當緊密而且復雜的操作。但是目前的主從機械手還有待改進結構設計，以贏得更加廣泛的應用。為此，本文主要從主從機械手出發(fā)，分析了相應的關鍵部位，并且展開了結構優(yōu)化工作，希望有助于主從機械手的進一步發(fā)展。

關鍵詞：主從機械手;模擬輔助;結構優(yōu)化

在上世紀中期，伴隨核工業(yè)的發(fā)展所需，主從機械手應運而生。作為遠距離操作技術之一，主從機械手基于人類的遙控操作，可以在人類無法接近、不能進入，又或有害于人體健康的環(huán)境中，快速完成相當復雜的操作。在世界上，首款主從機械手被用于安全地進行核物質的處置，以確保人類不受輻射帶來的威脅。而伴隨現(xiàn)代科技的快速進步，主從機械手也日益豐富，并且被更加廣泛的應用在各式各樣的生產(chǎn)乃至人類的生活當中，比如需要人類實時干預的特定任務。在這樣的場合，主從機械手無可替代。但目前主從機械手在結構方面，依然有上升的空間，急需加以優(yōu)化改善。

一、主從機械手的重要作用

在核工業(yè)，主從機械手獲得了十分廣泛的應用。這種機械手主要用于遠程操作設備，通常位處熱室或者用于維修設備、分離放射性元素中的同位素、高效去污等。而針對熱室以及放射性環(huán)境，還有人類無法直接靠近的各種有害、有毒、高危環(huán)境，通過主從機械手，則完全能取代人類的手臂，來完成所需的操作以及作業(yè)任務，以此來保護人類的身體健康，令人類免于遭受放射性危害，又或有毒物質的不良侵害，所以主從機械手的防護作用很明顯。

伴隨全球核工業(yè)的不斷發(fā)展，核科學技術也愈發(fā)先進，相應需要處理的核廢料也日益增多，所以迫切需要通過一定的操作來妥善加以處理。而主從機械手自被開發(fā)出來以后，便以其諸多優(yōu)點，如良好的反饋力的性能、便捷操作、絕對自由、高安全小、穩(wěn)定、高效去污、舒適性等，而被十分廣泛地應用在各式各樣的放射性環(huán)境內。而主從機械手獲得了成熟、成功地廣泛應用后，又促進科研人員不斷努力地優(yōu)化、完善主從機械手的內部結構，而開發(fā)設計出來，可以同步達到功能需要以及人體工程學種種要求的更加先進的主從機械手，以此來滿足快速提升的核工業(yè)快速發(fā)展所需。同時在新時代下，主從機械手還被推廣應用在其他很多領域，因此也需要及時優(yōu)化其結構。

但目前的工業(yè)機器人往往采用的是示教工作模式的原理，僅僅適合一些有特定功能或者特定動作的操作任務。例如，維修、維護核電站內部的設備、完成高危實驗室中的高復雜度操作、拆除、轉移危險物品等。而現(xiàn)代機器人的視覺、高智能化的機器人的快速發(fā)展，也完全不足以取代人來進行復雜多變的工作，并且按現(xiàn)場的實時情形，來成功做出適合的反應。由此可見，主從機械手的作用便顯得愈發(fā)重要。而在傳統(tǒng)設計環(huán)節(jié)，往往按照用戶的基本要求、具體的操作范圍，來最后確定主從機械手的大小。然而，從最優(yōu)設計的方位來思考，則很容易得出在設計主從機械手內部的結構環(huán)節(jié)，往往并未滿足最優(yōu)設計要求。所以，很有必要出于改善應用效果的目的，從最優(yōu)設計理念出發(fā)，基于先進的優(yōu)化設計技術，在計算機工具的輔助下，進一步優(yōu)化設計主從機械手，從而促進主從機械手的發(fā)展與推廣應用。

二、關鍵性結構及優(yōu)化措施

1、總體概況

本研究從某主從機械手出發(fā)，分析了夾鉗這一關鍵部位。先針對主從機械手，借助軟件Pro/E，創(chuàng)建了相應的三維模型;再基于起吊極限能力下的典型工況，分析了主從機械手自身夾鉗的基本力學性能：最終，借助軟件Pro/E的靈敏度研習功能與設計優(yōu)化處理模塊，獲得了最優(yōu)設計的最終結果。經(jīng)過一番強度驗證顯示，針對主從機械手，優(yōu)化的夾鉗結構取得了合理、有效的結果，能夠提供給分析主從機械手的基本結構乃至設計優(yōu)化工作一定的理論參考依據(jù)。

2、建模處理

在工程實踐中，主從機械手的具體應用見圖1。針對主從機械手，創(chuàng)建三維模型的整個過程：首先，按照確定好的結構大小尺寸，借助軟件Pro/E，來針對主從機械手，實施三維建模手段，詳見圖2;其次，借助Pro/E下的模塊Mechanica，來針對夾鉗這一關鍵部位，展開靜力學方面的分析研究，并且生成相應的應力云圖;最后，按照模型中的極限材料屈服值，來分析研究夾鉗結構的具體靈敏度，并且從所得結果出發(fā)，來進一步優(yōu)化、完善以上模型。

3、主從夾鉗的操作原理

在主從機械手中，作為末端執(zhí)行器之一，夾鉗主要用于直接操作工件或者對象，并且承載著負載的整體作用力。所以，從主從機械手的角度來看，夾鉗的安全穩(wěn)定性至關重要。為此。于夾鉗這一關鍵部位而言，相應的工作原理如下：

在主動臂端，通過手柄連桿的運動，來收放鋼絲繩。然后，鋼絲繩在穿墻組件的作用下，向從動臂傳遞主動臂端的實時運動及動力。而從動臂端則通過收放鋼絲繩，來驅使夾鉗拉放，并在夾鉗上發(fā)出開合動作。同時，在主、從動臂間，在傳動機構，如滑輪、滾輪、齒輪等的輔助下，通過鋼絲繩，向從動臂傳遞主動臂端的實時動力及運動。

在夾鉗結構中，基本的操作原理見圖3，相應的設計要求：首先承載力應足夠強;其次，強度足夠;最后，在強度要求達到的前提下，控制結構最完善。

4、力學分析

于夾鉗而言，主要選用不銹鋼材料06Crl9Nil0（304），相應的基本屬性如表l所示。

為了算出準確的材料極限屈服值，通常選取1.2～1.5的安全因數(shù)，并根據(jù)夾鉗的具體使用特點，確定1.3是安全因數(shù)。而針對主從機械手，在分析相應結構、進行優(yōu)化之前，應驗證夾鉗基于既有尺寸，能不能達到最大應力在屈服強度之下的要求。

首先，在起吊載荷最大時，分析夾鉗的受力情況，再從夾鉗實際工況出發(fā)，在模型受力處施加夾鉗所承受的載荷，并分析在工作時夾鉗的受力情況。而夾鉗與相應工件的摩擦作用，能抵消工件自重，來提升與夾鉗有關的起吊工件，具體作用原理見圖4?；诖耍瑒t可以算出在起吊值最大為80kg時，每側的夾鉗正壓力是222N。

同時，還從靜力學角度分析了夾鉗的力學原理：向夾鉗夾指施加計算載荷，在腕關節(jié)，大致設定具有6個方向自由度類型的全固定約束，且設定夾指和夾鉗本體相互之間是銷釘連接結構。在Pro/E下的模塊Mechanica中，分析夾鉗結構靜力學，具體的網(wǎng)格模型見圖5，相應的應力云圖則見圖6。

圖6顯示，在夾鉗結構內，臂桿受力最危險，主要是由于經(jīng)由兩側臂桿向夾指傳遞夾緊力以完成夾緊任務。具體的最大夾鉗應力是220MPa，要比材料極限屈服值263.8MPa小，能達到使用要求。然而，針對這樣夾鉗的既有設計有冗余問題，必須優(yōu)化夾鉗結構大小、用料，以便在熱室工作環(huán)境中，最小化夾鉗尺寸、最優(yōu)化結構。

5、優(yōu)化夾鉗結構

在設計過程中，具體的優(yōu)化步驟如下：針對結構設計問題，創(chuàng)建數(shù)學模型，以有效的優(yōu)化算法，從設計目標出發(fā)，借助計算機軟件，生成最優(yōu)設計值。而圖6顯示，在主從機械手中，關鍵的夾鉗結構和所用材料間卻有冗余。所以可以本著優(yōu)化設計原則，借助有限元法，來優(yōu)化設計夾鉗結構，以達到使用強度，并且最小化結構尺寸。

5.1 數(shù)學建模

先通過數(shù)學手段，化實際問題為數(shù)學模型，再以有效的優(yōu)化算法，及時求解模型。而在這里可將優(yōu)化設計夾鉗結構的工作抽象成一個代表性的優(yōu)化模型。

（1）變量設置。X下有n個變量，分別表示各個夾鉗設計結構參數(shù)：

X=[x1，x2，…，xn]T

（2）數(shù)學目標函數(shù)。選取最小的F（X）目標函數(shù)，來算設計X。

F（X）=[f（x1），f（x2），…，f（xn））]T

（3）各種約束。

①數(shù)學幾何約束。按夾鉗結構大小及連接基本部件的要求，來限制各夾鉗設計變量的極限限取值。

其中，Cimin、Cimax分別表示xi的允許上、，單位mm。

⑦物理應力約束。在達到夾鉗強度的基礎上，按夾鉗的使用要求，創(chuàng)建以下約束條件：

≤lim

其中，表示設計變量下最大的夾鉗應力，單位MPa;lim表示材料的極限屈服值，單位MPa。

5.2 靈敏度

鑒于設計參數(shù)不一樣時，往往帶給模型的影響也不盡相同，故此必須分析夾鉗各設計變量的靈敏度。在靈敏度曲線中，有顯示不同設計變量影響夾鉗應力的情況，以著重關注具有大幅影響的設計變量。在具體優(yōu)化設計結構的過程中，針對臂桿寬，展開了靈敏度分析，需要的取值是7～8mm，得出的分析結果詳見圖7。

圖7顯示，在固定載荷、材料等時，在選定范圍更改臂桿寬時，相應的夾鉗受力也會改變。通過靈敏度分析，得出臂桿寬最優(yōu)取值是7.1～7.9mm。

5.3 優(yōu)化設計過程

材料極限屈服值263.8MPa，基于以上數(shù)學模型，展開靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)設計變量值7.1～7.9mm，具體的優(yōu)化目標：應力在屈服極限值（263.8MPa）下。

經(jīng)過優(yōu)化設計后，臂桿寬以7.1mm最優(yōu)，以197.12MPa為最大應力，比屈服極限小，與優(yōu)化設計要求相符，具體的應力云圖詳見圖8。

圖8顯示，經(jīng)過優(yōu)化夾鉗結構后，應力最大值197.12MPa，比優(yōu)化前應力最大值220MPa小。在優(yōu)化前后，臂桿寬分別為7.5mm、7.1mm。所以，借助Pro/E下的模塊Mechanica，針對主從機械手，來優(yōu)化設計關鍵的夾鉗結構，能在達到強度要求的基礎上，縮小結構尺寸、節(jié)約材料、縮減質量、降低結構體系的最大應力。故此，這樣優(yōu)化夾鉗結構十分科學，具有指導意義。

6、主從機械手控制系統(tǒng)設計

作為機器人的末端抓手，機械手的應用越來越廣泛，對其控制的要求也越來越高。與人類操作計算機以前發(fā)送的控制指令相比，機械手的時間，直觀，靈活的運動。因此，設計并實現(xiàn)了自行開發(fā)的全驅動靈巧機械手的主從控制系統(tǒng)極為重要，其控制流程圖下圖8所示。

6.1 硬件設計

控制器分為兩個部分，主手控制器和從手控制器。在設計中將二者功能集中，同時滿足主從控制需求的硬件電路，并且設計電路能夠滿足機械手工作環(huán)境要求。主從控制器在使用時根據(jù)需要進行取舍，主要功能包括AD/DA/IO/CAN接口及輔助電路。

1）multiFLE控制器，根據(jù)實際情況選用給型號的控制器，采用AVRATMEGA128單片機作為主處理器，能夠在16MHZ的頻率下，對于大量數(shù)據(jù)進行處理。配套NorthSTAR圖形化集成開發(fā)環(huán)境，純代碼開發(fā)環(huán)境。

2）機器手舵機硬件選擇，舵機是轉向的控制機構，具有體積小、力矩大、外部機械設計簡單、穩(wěn)定性高等特點，無論是在硬件設計還是軟件設計，舵機設計是控制部分重要的組成部分。在實際控制中控制電路板接受控制信號，控制電機轉動，選用Dynamixel AX-12+是機器人專用舵機，采用金屬齒標稱扭力13kg以上，RS485串口通信，具有位置反饋，而且還具有速度反饋與溫度反饋功能的數(shù)字舵機，一般來說可以將來信號線連接至單片機的任意引腳，對于51單片機需通過定時器模塊出PWM才能進行控制。

3）多功能調試器，舵機相關參數(shù)的設計和調試需要使用多功能調試器來完成，本次設計需用UP-Debugger多功能調試器，運行模式為Servo模式，根據(jù)需要可以切換工作模式。

6.2 軟件設計

盡管主手和從手控制器在硬件上使用相同的控制器，但它們在軟件上卻有很大不同。主手控制器主要完成主手電位器的數(shù)據(jù)采集和相應開關按鈕的I / O輸入，并通過這些數(shù)據(jù)將CAN總線實時發(fā)送到從手控制器。從控制中有許多工作要做，其中從控制是一個由主控制數(shù)據(jù)和機械驅動控制量組成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于實際機械手系統(tǒng)存在嚴重的非線性，對系統(tǒng)參數(shù)的變化十分敏感，因此傳統(tǒng)的PID算法很難同時考慮控制精度和控制速度。模糊控制策略被應用于PID控制器的設計中，它不僅具有傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點，而且具有模糊控制的智能特性。模糊PID算法被用作控制系統(tǒng)的算法，即將模糊控制與常規(guī)PID控制相結合，利用模糊推理和判斷的思想，根據(jù)誤差E和誤差變化率島，并將其存儲在計算機中，并通過查找表方法在控制過程中讀取數(shù)據(jù)。

三、結語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，極大地推動了主從機械手的發(fā)展。同時，人們也針對主從機械手，提出了更高的要求。所以，需要認真分析主從機械手的基本結構，以更好地通過優(yōu)化設計，提升其整體工作性能及操作的可靠性，以更加廣泛應將其應用在極限環(huán)境下的工作中，贏得更加光明的應用前景。而在主從式機械手中，夾鉗部位的作用十分關鍵。為了更加精確地作業(yè)、順利完成高質量的任務，則尤其應從主從機械手出發(fā)，著重優(yōu)化、改善夾鉗結構，以促進主從機械手的進一步發(fā)展。

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