運用SolidWorks與ANSYS的仿人機械臂設計與分析

王春榮，夏爾冬，高 浩，劉建軍，熊昌炯，張亞婷

（三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004）

機械臂是人類對自身手臂的研究與模仿所創(chuàng)造的一種機械裝置，因其具有很高的靈活性已在汽車制造、零件加工以及焊接等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用[1]。仿人機械臂是機械臂與仿人學相結(jié)合的產(chǎn)物，具有與人類手臂相似的結(jié)構(gòu)，使其具有更好的靈活性、魯棒性和更高的運動精度，可以實現(xiàn)諸多擬人化操作[2-4]。因此，對仿人機械臂的研究具有非常重要的理論意義和應用前景。

由于仿人機械臂的獨特性，許多學者對其進行了研究。李寧[5]設計了一款7自由度的仿人機械臂，并對其運動學進行了分析，驗證了其合理性。韓致信等[6]提出了一種仿人機械臂逆運動學的運算方法，并利用MATLAB驗證了方法的有效性。王楚[7]對仿人機械臂的運動規(guī)劃與優(yōu)化算法進行了研究，提高了機械臂運動的靈活性。

為了提高機械臂的靈活性，本文提出設計一款與人臂相似度極高的新型仿人機械臂，已獲國家授權(quán)專利“一種仿人機械臂（ZL201620675819.2）”[8]。本文主要對該仿人機械臂執(zhí)行任務時的極限工況進行受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果，利用ANSYS對其進行靜力學分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，降低其質(zhì)量、提高作業(yè)的靈活性。

1 仿人機械臂機械結(jié)構(gòu)設計

1.1 關(guān)節(jié)連桿的確定

本文設計的仿人機械臂屬于關(guān)節(jié)型機械臂，其6個關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，即具有6個自由度。按照從基座到末端執(zhí)行器的順序?qū)﹃P(guān)節(jié)進行編號，依次由低到高，基座為桿件0，肩部偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為1，連桿 1，肩部俯仰關(guān)節(jié) 2，連桿 2，肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3，大臂連桿 3，肘部俯仰關(guān)節(jié)4，小臂連桿 4，腕部俯仰關(guān)節(jié)5，連桿5，腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)6，連桿6。因此，所設計的仿人機械臂關(guān)節(jié)分布結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 仿人機械臂關(guān)節(jié)分布結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 仿人機械臂三維模型的建立

根據(jù)以上分析，利用法國達索公司的Solid-Works 2018[9]建立機械的機架、肩關(guān)節(jié)、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)和手掌（指），然后對其進行裝配，建立仿人機械臂的三維模型，如圖2所示。

2 機械臂關(guān)鍵關(guān)節(jié)受力分析

機械臂在執(zhí)行任務時，各個關(guān)節(jié)與桿件須承受外部的作用力與自身的重力。當機械臂的關(guān)節(jié)和連桿位于同一軸線上且處于水平位置時承受的重力和靜力矩最大，由此引起機械臂各關(guān)節(jié)產(chǎn)生的應力和變形也最大。因此，本文主要對此種工況進行分析，選取該工況系數(shù)為1.1。設計的末端執(zhí)行器重量為3 kg，末端執(zhí)行器寬度為110 mm，機械臂尺寸長為220 mm，抓取物體最大重量為10 kg。由于機械臂在抓取與搬運過程中存在著抖動等情況，因此本文取g=10 N/kg進行保守的分析計算。

圖2 仿人機械臂三維模型

2.1 關(guān)節(jié)6受力分析

對于關(guān)節(jié)6進行受力分析，其受力分析簡圖，如圖3所示，即有

圖3 關(guān)節(jié)6受力分析簡圖

2.2 關(guān)節(jié)5受力分析

對于關(guān)節(jié)5進行受力分析，其受力分析簡圖，如圖4所示，即有

圖4 關(guān)節(jié)5受力分析簡圖

2.3 關(guān)節(jié)4受力分析

對于關(guān)節(jié)4進行受力分析，其受力分析簡圖，如圖5所示，即有

圖5 關(guān)節(jié)4受力分析簡圖

同理，對關(guān)節(jié)3進行受力分析，如圖6，可得

圖6 關(guān)節(jié)3受力分析簡圖

即

因此，通過對各個關(guān)節(jié)的受力分析，使設計人員可對電機的尺寸、功率及型號進行選擇，并確定合適的減速比，驅(qū)動各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動。

3 機械臂的有限元分析

ANSYS是美國ANSYS公司研制大型有限元分析軟件，是目前最主流的有限元分析軟件，其分析過程主要包括前處理階段、分析計算階段和后處理階段[10]。此外，其具有功能強大，操作簡單等優(yōu)點，在機械制造、汽車工程以及可靠性分析等領(lǐng)域得到廣泛的應用。因此，本文利用ANSYS 12.0對所設計的仿人機械臂進行分析。

3.1 有限元模型的建立

在有限元分析中，通過網(wǎng)格劃分來建立各個結(jié)構(gòu)的有限元模型，是非常重要步驟，其直接影響計算精度與計算結(jié)果。若網(wǎng)格劃分不精確，將導致計算結(jié)果無效、離散，無法獲得正確的求解結(jié)果。因此本文選用Solid45單元，其具有六個單元面，每個面都可以施加力，且力的方向為其垂直方向到單元的內(nèi)部。

對機械手臂的關(guān)鍵部件進行網(wǎng)格劃分，建立其有限元模型，如圖7所示。其中肩部偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)具有23 208個單元，肩部俯仰關(guān)節(jié)具有17 375個單元，大臂連桿具有15 902個單元，肘部俯仰關(guān)節(jié)具有23 422個單元，腕部俯仰關(guān)節(jié)具有28 107個單元。

3.2 施加載荷和約束

載荷和約束的施加對靜力學分析的結(jié)果有著直接的影響，其應盡量與實際情況較為一致。本文根據(jù)各個關(guān)節(jié)零部件的實際裝配位置，在支撐支點處施加對應的約束，并根據(jù)上文計算的作用力與力矩結(jié)果，施加對應的載荷。分析仿人機械臂的關(guān)節(jié)和連桿位于同一軸線上且處于水平位置時的受力情況。

3.3 機械臂的有限元分析

本文選取6 061鋁合金為仿人機械臂的材料，其彈性系數(shù)為68.9 GPa、泊松比為0.33、抗拉強度為205 MPa。為了更加貼近實際情況，在ANSYS中設置重力加速度g=9.8 N/kg，并對上述的極限情況進行分析求解，得到各個關(guān)節(jié)零部件的應力云圖和變形云圖，如圖8所示。

圖7 械手臂關(guān)鍵部件的有限元模型

圖8 關(guān)鍵部件應力云圖和變形云圖

分析圖8可知，對于肩部偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其最大應力為104.11 MPa，發(fā)生在板支架的拐角處，最大位移變形量為0.41×10-5mm，發(fā)生在較小孔的前端面；對于肩部俯仰關(guān)節(jié)，其最大應力為159.13 MPa，發(fā)生在板支架的拐角處，最大位移變形量為0.20×10-5mm，發(fā)生在大孔側(cè)的前端面；大臂連桿的最大應力為103.20 MPa，發(fā)生在孔的內(nèi)表面及拐角處，最大位移變形量為0.73×10-5mm，發(fā)生在大孔側(cè)的前端面；肘部俯仰關(guān)節(jié)的最大應力為108.78 MPa，發(fā)生在孔的內(nèi)表面兩側(cè)拐角處，最大位移變形量為0.12×10-4mm，發(fā)生在左右兩側(cè)的端面；腕部俯仰關(guān)節(jié)的最大應力為89.83 MPa，發(fā)生在孔的大孔一側(cè)的后端拐角處，最大位移變形量為0.15×10-6mm，發(fā)生在大孔一側(cè)的端面。

通過分析結(jié)果可知，各個關(guān)鍵部件都具有較小的變形量、所受到的最大應力均小于材料的極限要求，表明本文設計的機械臂結(jié)構(gòu)合理，強度、剛度等滿足要求。

4 機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

通過以上分析可知，雖然仿人機械臂各個關(guān)節(jié)部件設計合理，但是為了進一步提高機械的靈活性、節(jié)約資源和設計成本。本節(jié)以質(zhì)量為優(yōu)化目標，以各個關(guān)鍵部件的厚度為設計變量，以材料的性能為約束條件，對其進行優(yōu)化設計分析。優(yōu)化后的關(guān)鍵部件應力云圖和變形云圖，如圖9所示，優(yōu)化前后的參數(shù)（最大等效應力δ、最大變形量d及質(zhì)量m）對比如表1所示。

圖9 優(yōu)化后的關(guān)鍵部件應力云圖和變形云圖

表1 優(yōu)化前后各個參數(shù)對比

分析仿真結(jié)果可知，優(yōu)化后與優(yōu)化前相比應力分布特征整體一致，雖然其最大應力和最大位移都比優(yōu)化前有所提高，但是各個零件的最大應力都小于材料的屈服強度，且各個關(guān)鍵部件的變形量很小，因此仍滿足材料性能要求。對于整個機械臂而言，其總體質(zhì)量由4.654 kg降低至3.914 kg，減少了15.9%。因此，優(yōu)化后的機械臂不僅滿足各力學性能，而且使其整體結(jié)構(gòu)更加的緊湊、節(jié)約了成本以及具有較好的靈活性。

5 結(jié)論

基于仿人機械臂是當前的研究熱點，本文設計了一種新型的仿人機械臂，并已獲國家授權(quán)專利，表明了創(chuàng)新性。為了進一步提高仿人機械臂的靈活性，利用SolidWorks建立其三維模型，并分析了仿人機械臂關(guān)節(jié)和連桿位于同一軸線上并處于水平位置時抓取10kg物體的受力情況。最后，利用ANSYS建立了仿人機械臂關(guān)鍵部件的有限元模型，并根據(jù)受力分析結(jié)果對其進行靜力學分析與優(yōu)化設計分析，有效的降低了機械臂的質(zhì)量，提高了其靈活性。