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

目前國內外針對機械手結構的研究熱點較多。Rong等[3]開發了一種應用于煤礦井下探測的機器人，能夠在惡劣的環境下完成相應的探測動作。于濤等[4]、 王戰中等[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，利用機械系統動力學自動分析(ADAMS)軟件對工業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。

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風險，縮短研發周期。本文中以工業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

抓取機械手系統主要由液壓控制系統和機械執行部件構成，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，然后根據控制系統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指令完成規定的動作，比如向上或者向下運動； 2)機械手抓根據指令能實現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名稱及轉速如表1所示。由于機械手在運動過程中關節會產生接觸摩擦，因此，為了使動力學仿真更加精準，結合鋁合金材料參數，設置動摩擦系數為0.35，設計抓取物品的最大質量為3 kg，仿真時間設置為15 s，得到機械手各關節轉矩 、角速度以及角加速度的仿真結果，如圖2所示。

表1 抓取機械手關節名稱及轉速

從圖2(a)可以看出，關節1的轉矩波動幅度最大，這主要與其所受載荷有關，其他各關節轉矩變化相對比較平穩， 波動較小。 從圖2(b)可以看出， 關節1的角速度為0，這是因為轉動軸與腰部的質心是重合的，其他關節的變化比較平穩，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，所有關節的角加速度變化也相對比較平穩，除了機械臂在啟動過程有急劇變化外，其他位置沒有發生突變現象，符合大多數工業生產的需求，說明該機械臂結構參數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時，其所受載荷最大，產生的變形量也最大。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以及右側載荷產生的外力F1，其中最大轉矩M1根據動力學仿真結果中的關節轉矩轉換成載荷求解得出，右側載荷產生的外力F1主要為機械臂腕部對小臂產生的反作用力。根據力的平衡原理，有如下關系式：

G1—小臂構件的自重； M1—左側的最大轉矩；F1—右側外載荷產生的外力； O—質心。

F1=G1+M1/|OO2|

,

(1)

M1=G1·|OO1|

,

(2)

式中|OO1|、 |OO2|分別為小臂的質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以及右側載荷產生的外力F2，其中最大轉矩M2根據動力學仿真結果中的關節轉矩轉換成載荷求解得出，右側載荷產生的外力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—右側載荷產生的外力； O′—質心。

(3)

(4)

3.2 關鍵構件的結構有限元分析

根據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

從關鍵構件的模態分析來看，根據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，即小臂構件在作業過程中不會存在共振的現象。同樣，大臂構件的作業頻率也小于其一階固有頻率，在實際工作過程中不會出現共振。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，從而避免構件在作業過程中出現共振現象，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分析，結果表明，大臂構件和小臂構件在作業過程中不會產生共振現象，具有良好的動力學性能。