附加軸式機(jī)械手的開發(fā)設(shè)計(jì)與分析

鄭秀宏 黃高祥 施天宇 楊煥 詹暉

摘要：以一種附加軸式新型機(jī)械手裝置為研究對(duì)象，主要用于物料快速抓取。新型機(jī)械手安裝在工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器法蘭盤上，具有模塊化強(qiáng)、安裝便捷、動(dòng)作靈敏、小空間活動(dòng)自由度高等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)機(jī)械手關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)臂、連接座結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計(jì)與分析，找到輕量化目標(biāo)部位，進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步穩(wěn)固整機(jī)在最大水平位姿的動(dòng)態(tài)性能。所提出的機(jī)械手開發(fā)設(shè)計(jì)與分析思路，可以為工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供有效參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;輕量化設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TP241.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0189-03

Development Design and Analysis of the Additional Shaft Robot Zheng Xiuhong1，Huang Gaoxiang2，Shi Tianyu1，Yang Huan1，Zhan Hui1

（1. Sino-German College of Intelligent Manufacturing， Shenzhen Technology University， Shenzhen， Guangdong 518118， China;2. EDAN Instruments Inc.， Shenzhen， Guangdong 518122， China）

Abstract： An additional shaft-type new robot device was used as the research object， which was mainly used for goods quick crawling. Asmounted on the industrial robot end-effector flange， the new type of robot had the advantages of strong modularity， convenient installation，sensitive movement and high freedom of small space activities. Through the structural design and analysis of the robot key components rotationarm and connector， the target part of the lightweight design was found， then carried out lightweight structural improvement design， furtherstabilized the dynamic performance of the whole machine at the maximum horizontal position. The development design and analysis of the robotcan provide an effective reference for the industrialization application of industrial robots.

Key words： robot; lightweight design; structural improvement

0 引言

工業(yè)機(jī)器人由機(jī)械本體、減速機(jī)、電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器構(gòu)成等，具備在三維空間完成指令控制自動(dòng)作業(yè)的能力。機(jī)器人技術(shù)整合了機(jī)械、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、控制等多學(xué)科技術(shù)，涉及的領(lǐng)域廣泛[1-2]。

機(jī)械手作為機(jī)器人的重要結(jié)構(gòu)之一，具有焊接、噴涂、搬運(yùn)及物料的抓取等多個(gè)用途，使得傳統(tǒng)的純?nèi)斯げ僮鞣绞奖恢饾u替代。特別在一些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中（如噴涂車間、焊接車間、注塑車間等），機(jī)械手的應(yīng)用可很大程度地減少人員作業(yè)帶來的傷害[3]。根據(jù)抓取目標(biāo)的特征，機(jī)械手具有多種結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)形式，其轉(zhuǎn)動(dòng)、復(fù)合動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)由上級(jí)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器法蘭盤）驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[4]。目前，通用機(jī)械手技術(shù)受到國內(nèi)外的重視，研究氛圍活躍，相關(guān)品種的產(chǎn)品在不斷增加[5]，而在發(fā)展方面，國內(nèi)與國外發(fā)達(dá)國家的機(jī)械手對(duì)比，仍有一定程度的差距[6]?，F(xiàn)有機(jī)械手通常直接安裝于法蘭，當(dāng)需要在空間狹窄的場(chǎng)合工作時(shí)，機(jī)械手容易和其他結(jié)構(gòu)干涉碰撞，易造成機(jī)械手的損壞。另外，現(xiàn)有的機(jī)械手用于物料抓取時(shí)，物料抓取效率不高，機(jī)器人的靈活性和物料抓取效率均有待提高。

本文以用于物料快速抓取的一種附加軸式新型機(jī)械手裝置為研究對(duì)象，安裝在一款負(fù)載3 kg 、工作范圍580 mm 的工業(yè)機(jī)器人上，要求抓取目標(biāo)最大質(zhì)量為0.5 kg 。通過對(duì)機(jī)械手作結(jié)構(gòu)相關(guān)的開發(fā)設(shè)計(jì)與分析，旨在為工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化工程應(yīng)用提供相關(guān)參考。

1 開發(fā)設(shè)計(jì)

新型機(jī)械手裝置安裝在6軸工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行法蘭盤上，整體布局方案如圖1所示。新型機(jī)械手裝置主要由旋轉(zhuǎn)臂、真空吸盤組、伺服電機(jī)、減速機(jī)、連接座等5大部件組成，如圖2所示。與常規(guī)方案不同的是，通過機(jī)械手的伺服電機(jī)+減速機(jī)組合，為工業(yè)機(jī)器人增加了1個(gè)附加軸，大大增加了其動(dòng)作的靈活性，同時(shí)空間的協(xié)作性得到很大提升，小空間作業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯。

整個(gè)機(jī)械手裝置由機(jī)器人末端法蘭連接座通過定位環(huán)、內(nèi)六角螺絲固定在機(jī)器人的末端執(zhí)行法蘭盤上，整體隨機(jī)器人第6軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，安裝便捷，模塊性強(qiáng);伺服電機(jī)+減速機(jī)組合安裝在機(jī)械手連接座部件上;旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)通過螺紋孔與電機(jī)、減速機(jī)組合連接，進(jìn)行動(dòng)力傳遞;真空吸盤組通過螺紋連接在旋轉(zhuǎn)臂底部法蘭盤上，管路、線路通過執(zhí)行模塊的中空結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，減少纏繞。

與機(jī)械手連接的工業(yè)機(jī)器人呈串聯(lián)6關(guān)節(jié)形式，此類構(gòu)型的機(jī)器人在水平位姿狀態(tài)動(dòng)態(tài)性能最差[7]。為保障機(jī)械手在水平極限位姿（圖3）工作時(shí)，具備良好的動(dòng)態(tài)性能，避免氣管、線纜在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)負(fù)載的動(dòng)態(tài)影響，達(dá)到定位精準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)快速、動(dòng)作靈活的效果，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般將安全系數(shù)設(shè)置為不低于2，即實(shí)際總負(fù)載（機(jī)械手質(zhì)量+抓取目標(biāo)質(zhì)量）不超過1.5 kg。

隨著科學(xué)工程技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的關(guān)節(jié)式部件朝著輕質(zhì)、柔性、安全、高精度的方向在發(fā)展[8]。然而，機(jī)械手的穩(wěn)定性還有較大的進(jìn)步空間[9]。其中，關(guān)鍵部件的質(zhì)量過大是影響整體穩(wěn)定性的一個(gè)不容忽視的因素。標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量方面，安裝在機(jī)械手連接座部件上的伺服電機(jī)質(zhì)量約0.3 kg ，減速機(jī)質(zhì)量約0.4 kg;安裝在旋轉(zhuǎn)臂上的真空吸盤組質(zhì)量約0.05 kg 。經(jīng)分析，標(biāo)準(zhǔn)件總質(zhì)量約0.75 kg ，抓取目標(biāo)最大質(zhì)量0.5 kg ，則要求非標(biāo)件連接座、旋轉(zhuǎn)臂在滿足工況的情況下，總質(zhì)量控制在0.25 kg內(nèi)。故機(jī)械手在滿足使用要求的情況下，需進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)輕量化后的改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行校核，以保障輕量化的有效性、可行性[10]。

2 輕量化設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)臂、連接座使用密度為密度2700 kg/m3的鋁合金材料，原設(shè)計(jì)模型的體積、質(zhì)量參數(shù)如表1所示。由表可知，原模型的連接座、旋轉(zhuǎn)臂總質(zhì)量為0.44 kg，比目標(biāo)質(zhì)量超出了0.19 kg 。接下來，需要在滿足加工工藝要求及材料強(qiáng)度的情況下，對(duì)這兩個(gè)部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 旋轉(zhuǎn)臂輕量化設(shè)計(jì)

模型導(dǎo)入：將旋轉(zhuǎn)臂模型保存為通用格式x_t，導(dǎo)入有限元分析軟件中。

材料設(shè)置：設(shè)置旋轉(zhuǎn)臂部件材料為鋁合金，密度2700 kg/m3，材料屈服極限28 MPa ，泊松比0.33，楊氏模量68.9 GPa。

網(wǎng)格劃分：對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)置，采用自由網(wǎng)格形式，以尋求運(yùn)算精度和計(jì)算機(jī)性能間的平衡。

施加約束：旋轉(zhuǎn)臂通過法蘭凸臺(tái)固定在減速機(jī)上，故在凸臺(tái)沉頭孔處施加固定約束，如圖4所示。

添加載荷：真空吸盤組通過螺紋連接在旋轉(zhuǎn)臂底部法蘭盤上，在工作過程中，通過吸盤端面抓取目標(biāo)，故旋轉(zhuǎn)臂的負(fù)載為吸盤組質(zhì)量0.05 kg+抓取目標(biāo)最大質(zhì)量0.5 kg ，共計(jì)0.55 kg 。即旋轉(zhuǎn)臂的載荷大小為5.39 N ，作用在底部法蘭盤通孔上，如圖5所示。

求解結(jié)果與分析：運(yùn)行有限元模型，求解的旋轉(zhuǎn)臂有限元等效應(yīng)力云圖結(jié)果如圖6所示。最大應(yīng)力發(fā)生在底部法蘭盤中間通孔邊界，最大應(yīng)力值0.42 MPa ，在材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，認(rèn)為滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域1、區(qū)域2所受應(yīng)力值比較小，可見初始設(shè)計(jì)偏保守，導(dǎo)致這2個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)臃腫，有進(jìn)一步輕量化的空間。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及理論分析，認(rèn)為在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，輕量化方向?yàn)椋海?） 對(duì)旋轉(zhuǎn)臂支撐柱做適當(dāng)掏空減重處理;（2）減小機(jī)械手旋轉(zhuǎn)臂部件支撐柱的厚度;（3）適當(dāng)掏空底部法蘭盤局部位置。

經(jīng)過多次迭代設(shè)計(jì)、仿真，最終得到滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及輕量化要求的旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，其有限元等效應(yīng)力模型云圖如圖7所示。經(jīng)過輕量化迭代設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)臂最大應(yīng)力發(fā)生在支撐柱掏空孔邊緣處，最大應(yīng)力值 1.1 MPa，未超出材料屈服強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求;旋轉(zhuǎn)臂體積由 93 931.6 mm3 減小為38 553.7 mm3 ，質(zhì)量由0.25 kg降低為 0.1 kg。

2.2 連接座輕量化設(shè)計(jì)

同理，將連接座模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，設(shè)置為鋁合金材料，材料屬性和旋轉(zhuǎn)臂一致，網(wǎng)格智能劃分。施加約束：連接座通過其頂部法蘭盤固定在工業(yè)機(jī)器人末端法蘭盤上，故在與機(jī)器人連接的連接座頂部法蘭盤施加固定約束，如圖8所示。

添加載荷：電機(jī)+減速機(jī)組直接固定在連接座側(cè)面法蘭盤上，旋轉(zhuǎn)臂固定在減速機(jī)一端，吸盤組固定在旋轉(zhuǎn)臂，故連接座的負(fù)載為：電機(jī)質(zhì)量 0.3 kg+減速機(jī)質(zhì)量 0.4 kg+旋轉(zhuǎn)臂輕量化后的質(zhì)量 0.1 kg+吸盤組質(zhì)量 0.05 kg+抓取目標(biāo)最大質(zhì)量0.5 kg，共計(jì)1.35 kg。即連接座的最大載荷大小為 13.23 N，作用在底部法蘭盤通孔上，力的方向如圖9所示。

求解結(jié)果與分析：設(shè)置完成，對(duì)模型進(jìn)行有限元求解，圖10所示為連接座有限元等效應(yīng)力云圖結(jié)果，最大應(yīng)力發(fā)生在側(cè)面法蘭盤處，應(yīng)力值為0.71 MPa，在材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，認(rèn)為滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

仿真分析發(fā)現(xiàn)，因初始設(shè)計(jì)偏保守，該區(qū)域結(jié)構(gòu)臃腫，受應(yīng)力值較小，可對(duì)此處做適當(dāng)掏空減重輕量化處理。輕量化處理后的連接座有限元等效應(yīng)力模型云圖如圖11所示，最大應(yīng)力值及發(fā)生位置不變，體積由69613.3 mm3 減小為46417.3 mm3，質(zhì)量由0.19 kg降低為0.13 kg。

2.3 結(jié)果分析

旋轉(zhuǎn)臂、連接座結(jié)構(gòu)改進(jìn)的目標(biāo)函數(shù)為減輕重量;設(shè)計(jì)變量為在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的地方適當(dāng)掏空體積;約束條件為允許28 MPa的最大應(yīng)力。通過先后對(duì)旋轉(zhuǎn)臂、連接座進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，找到結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力較小部位，作為輕量化重點(diǎn)對(duì)象。通過結(jié)構(gòu)迭代設(shè)計(jì)、對(duì)改進(jìn)模型的有限元靜力學(xué)分析求解，來校核模型的體積、質(zhì)量、應(yīng)力參數(shù)，直至完成輕量化設(shè)計(jì)。

輕量化前后，旋轉(zhuǎn)臂、連接座的掏空體積、最大應(yīng)力、質(zhì)量、減重值對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表可知，旋轉(zhuǎn)臂進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，改進(jìn)模型在滿足材料許用應(yīng)力的前提下，輕量化效果明顯，由 0.25 kg 減重為 0.1 kg，質(zhì)量減小了0.15 kg （60%）;連接座進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，改進(jìn)模型在滿足材料許用應(yīng)力的前提下，由0.19 kg減重為0.13 kg，質(zhì)量減小了0.06 kg（31.6%）。

3 結(jié)束語

附加軸式機(jī)械手，區(qū)別于常規(guī)機(jī)械手布局，通過機(jī)械手內(nèi)置伺服電機(jī)+減速機(jī)組合，構(gòu)成一個(gè)附加軸式抓取模塊，直接安裝在工業(yè)機(jī)器人末端法蘭盤上，具備模塊化、便捷安裝等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，多了1個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的工業(yè)機(jī)器人，動(dòng)作的靈活性、空間的協(xié)作能力提升明顯，小空間作業(yè)優(yōu)勢(shì)尤其明顯。然而，附加軸式機(jī)械手因比常規(guī)機(jī)械手結(jié)構(gòu)多了伺服電機(jī)、減速機(jī)，整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能無形中受到了影響，特別是最大水平位姿的動(dòng)態(tài)性能，故為保障其動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定性，需要對(duì)機(jī)械手關(guān)鍵部件進(jìn)行輕量化處理。

通過對(duì)關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)臂、連接座的有限元靜力學(xué)分析求解，找到輕量化目標(biāo)部位，經(jīng)過結(jié)構(gòu)迭代設(shè)計(jì)，多次校核，結(jié)合改進(jìn)前后的參數(shù)變化，結(jié)果表明該方法有效可行。本文為機(jī)械手關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)輕量化分析及改進(jìn)提供了一種較為有效的參考。

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第一作者簡介：鄭秀宏（1989-），男，廣東人，碩士研究生，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)楫a(chǎn)品、裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造及有限元分析，已發(fā)表論文6篇。（編輯：王智圣）