基于HyperWorks的遙操作主手構件拓撲優化設計

賈財運，崔龍，高鳳陽

（1.沈陽建筑大學交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；

2.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧沈陽110016）

基于HyperWorks的遙操作主手構件拓撲優化設計

賈財運1，崔龍2，高鳳陽1

（1.沈陽建筑大學交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；

2.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧沈陽110016）

論文利用變密度法對力反饋型遙操作主手的結構進行拓撲優化設計，旨在滿足各種工況及易制造加工的條件下，實現零部件的輕量化。首先分析了零部件在多種工況下的受力情況，再根據分析結果對模型進行了拓撲優化，最后在優化結果的基礎上進行了滿足加工工藝要求的二次設計。最終得到的零部件結構模型與初始模型對比結果顯示：在滿足安裝、強度、剛度、可加工性等約束條件的情況下，總質量比最初模型減輕了40.89%。

拓撲優化；變密度法；遙操作主手；輕量化；HyperWorks

0 引言

目前，遙操作技術在醫療、軍事、工業等各大領域得到廣泛應用。對于主從機器人遙操作系統而言，借助力反饋設備輔助操作，可大幅增強臨場感，提高操作精度和安全性。遙操作機器人主要應用于人們難以臨近的高溫、高壓、強輻射等惡劣環境，例如核反應堆維護作業，空間、海底的開發，火災、水災及地震時搶險作業等。

國外對遙操作主手課題的研究相對較早，美國橡樹嶺和阿爾貢國家實驗室早于20世紀40年代后期就已實施研制遙控式工業機械手的計劃，隨后日本、西歐等國家也相繼開展類似課題進行研究。而我國于80年代末才開始了遙操作機器人的研究，取得了階段性的進展，比如華北電力大學在研制核電站檢修機器人方面取得一定碩果。

遙操作主手既是從端機械手進行實時運動控制的輸入設備，又是反映從手和環境之間相互作用力的力覺輸出設備，需保證其靈活自如的運動性能。但實際操作中，由于零部件自重的存在，運動過程中產生的慣性力，會影響力反饋系統傳輸信息的準確性，將直接影響整個系統精細控制的效果。所以，需對遙操作主手的可移動零部件進行優化設計，在滿足各種工況的條件下進行輕量化，以達到精確控制的目的。本文借助Hyper-Works軟件，利用拓撲優化技術對遙操作主手的主要零部件展開了探究。

1 遙操作主手的構型

圖1為三自由度遙操作主手結構，三個平移自由度采用Delta型并聯機構實現，由底盤、伺服電機、從動盤和連桿組成。電機與從動盤之間用高強度鋼絲繩進行傳動，不僅起到了力矩放大作用，還使傳動更加平滑。連桿與傳動盤等各運動部件間的支撐軸承均采用預緊方式，不僅能消除運動間隙，還提高了操作精度。

圖1　三自由度遙操作主手結構

2 受力分析

遙操作主手在空間的運動范圍是一定的，且在不同的運動狀態下，連桿和動平臺各自的受力情況也有所變化。由于各構件在運動過程中受力情況復雜，為了精確、快速計算出構件最大受力，借助ADAMS軟件進行動力學仿真，測出主要構件受力情況。最初在動平臺中心施加沿著某方向且大小為12N的力。經模擬計算，發現在某些極限位置時，構件受力值相對較大。然后對多個極限位置狀態進行分析、計算，結果見表1。

表1　連桿和動平臺受力分析結果

由表1可知，連桿最大受力29.73N（拉力），動平臺最大受力。考慮計算方便，優化設計時連桿、動平臺最大受力分別取值為30N和60N。

3 初始模型有限元分析

3.1連桿初始模型的有限元分析

連桿的材料為鋁合金，其彈性模量E=7e+4MPa，泊松比μ=0.3897，密度ρ=2.7e-03g/mm3，屈服極限σa= 300MPa，此時單個連桿質量為50.32g。

為真實準確反映結構本身的受力及約束情況，鉸接孔周圍節點均通過無質量的剛性單元連接。其中，約束點處（左端）采用了全自由度約束的方式，載荷施加點處（右端）施加垂直橫截面水平向外30N的拉力，見圖2。邊界條件、載荷及材料屬性設置后，對有限元模型進行靜力分析。計算結果顯示：最大VonMiss應力0.32MPa，最大位移5.84e-04mm，位于最右端。

圖2　連桿初始有限元模型

3.2動平臺初始模型的有限元分析

動平臺最初模型質量為71.1g，其選材同連桿。為方便起見，把結構中間位置鉸接孔處rbe2的節點等效為約束點，約束方式為全約束；為保持結構對稱，在其他三個鉸接孔處施加大小一致的載荷，且每個載荷施加點均受60N、10N和2N（最大扭矩等效力）的相互垂直作用力，方向分別為沿Z軸負方向、平行XY面并指向中間鉸接孔、平行各自鉸接孔軸線且為順時針方向。見圖3。經有限元靜力分析計算，結果顯示：動平臺最大VonMiss應力為9.24MPa，位于中間鉸接孔處；最大位移為2.39e-02mm。

圖3　動平臺初始有限元模型

4 拓撲優化及設計

對結構有限元劃分單元后，拓撲優化分析時，每個相互獨立的單元密度都視為相同，以材料的獨立單元密度為設計變量（單元密度值是在0～1范圍內進行連續變化的）。所以，存在以下關系：

ρ=Xeρ0

式中，Xe、ρ0分別為設計域里每個單元相對密度和固有密度；而ρ即為拓撲優化的設計變量。當ρ=1時，則代表該單元材料為實，需要保留該單元；當ρ=0時，代表該單元材料為空，需要將此單元進行刪除；當ρ為0～1的某一個值時，需根據密度閥值設定來判斷該單元是保留還是刪除。

4.1連桿的優化設計

連桿模型優化問題描述如下：單元密度作為設計變量，以載荷施加點合位移小于為約束條件，以體積最小化（即盡可能減少材料）為目標。

連桿概念模型如圖4（a），其中有限元網格分為可設計域和不可設計域。根據機構設計階段的情況，各鉸接孔的位置及尺寸是確定的，在結構的優化過程中必須保留，將此部分材料設置為不可設計域（深色）。剩下的材料作為可設計域（淺色）加以優化。劃分單元、設置材料屬性后，結合連桿優化前的邊界條件及載荷，最后進行拓撲優化迭代求解。當單元密度閥值設置時，得到可設計區域中最優化布局的密度等值面圖，如圖4（b）所示。

根據拓撲優化結果對連桿進行了二次設計，最終得到質量為27.93g的新結構模型。然后對二次設計的新結構進行靜力分析，此時最大Von-Miss應力0.55MPa，最大位移9.15e-4mm。

圖4　連桿概念模型與優化模型

4.2動平臺的優化

動平臺模型優化問題可描述為：單元密度作為設計變量，以各載荷施加點的合位移小于2.40e-02mm為約束條件，以體積最小化為目標。

動平臺概念模型也包括可設計域及不可設計域，如圖5（a）所示。其有限元模型網格的劃分方式及其他參數設置步驟同連桿類似。

經過38步迭代，結果得到收斂。單元密度閥值調整為0.3時，可設計域最優化布局的密度等值面圖見圖5（b）。

圖5　動平臺概念模型與優化模型

由于優化后的動平臺結構不規則，孔洞貫穿相連，難以制造加工。為得到易于制造的產品，本文采用鑄造工藝進行制造加工。因此，需要在之前的優化設置基礎上添加成員尺寸控制約束、模式組約束及脫模約束等制造工藝約束組合，來解決以上問題。

為了消除優化結果中細小的傳力路徑，得到均勻的材料分布，使鑄造過程中材料流動性提高，將最小成員尺寸設置為1mm。由于施加的載荷是對稱的，那么理想中的優化模型結構應具有對稱性，故將模式組設置為周向循環及一面對稱的約束。對于鑄造件，制造過程中的脫模必須考慮，且脫模方向上不能有材料阻擋，結合之前動平臺優化模型結果情況，脫模方向選擇為沿Z軸正方向進行單向脫模。設置好相關約束后，提交Optistruct運算，使用HyperView進行結果后處理分析。調整密度閥值為時，得到拓撲優化的密度云圖，見圖6（a）。

根據動平臺拓撲優化結果進行了二次優化，得到質量為的新結構模型，見圖6（b）。然后對二次優化52.93g的新結構進行了靜力分析，此時動平臺最大VonMiss應力為6.62MPa，最大位移為6.35e-3mm。

圖6　工藝優化結果及二次優化模型

5 整體模型優化前后的結果對比

本次優化主要目的是構件在滿足實際工況的條件下，減輕其自身的質量。經過對連桿、動平臺優化前后的相關分析、比較，得到表2中的結果。

表2　連桿和動平臺優化前后分析結果對比

由表2可知：優化后與優化前相比，連桿的最大位移量稍有增加，但變化量不大，而動平臺最大位移明顯減小；連桿和動平臺優化前后的VonMiss應力均遠遠小于屈服應力；優化后的質量均明顯較少，每個連桿質量減少22.39g（即6個連桿質量共減少134.34g），動平臺減少18.17g，即遙操作主手可移動部件總質量減少152.51g，變化率為40.89%。

6 結論

本文運用HyperWorks軟件對遙操作主手的連桿和動平臺兩個主要零部件進行了拓撲優化分析，并在設計過程中考慮到零部件的制造加工工藝，最終實現了零部件輕量化的目的。本設計為產品的概念設計，僅為設計者提供一種新的設計思路和方法，后期還需借助形狀優化、尺寸優化等優化技術手段實現產品的完美設計。通過本實例的優化設計，體現了拓撲優化方法的科學性、合理性，具有實際的應用價值。

［1］劉海波，席振鵬.力反饋主手研究現狀及其力控制方法研究［J］.自動化技術與應用，2009.

［2］魏海龍.主-從遙操作機器人力反饋系統的研究［D］.吉林大學，2006.

［3］洪清泉，趙康，張潘，等.OptiStruct&HyperStudy理論基礎與工程應用［M］.機械工業出版社，2012．

［4］張濤.基于HyperWorks的裝載機車架結構分析與優化［DB］.佳工機電網，2014，11．

［5］何強.面向托卡馬克腔第一壁維護的遙操作機械臂機構設計及分析［D］.上海交通大學，2013．

［6］朱清君，張代勝.基于拓撲優化和靈敏度分析的車架輕量化改進［J］.汽車科技，2009，11．

［7］劉旺玉，曾琳，等．基于OptiStruet的風力葉片拓撲優化設計［J］．機械工程師，2009，6．

The Topology Optimization Design of the Main Hand Component of Tele-operation Based on HyperWorks

JIA Cai-Yun1，CUI Long2，GAO Feng-Yang1
（1.Institute of Transportation and Mechanical Engineering of Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China；2.The State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang Liaoning 110016，China）

Based on variable density method，the structure of force feedback tele-operation main hand made topology optimization design，that designed to meet a variety of working conditions and the easy manufacturing conditions to achieve lightweight components.Firstly，the force of the components is analyzed in a variety of conditions.Then according to the analysis results，the model made the topology optimization.And finally on the basis of the results of the optimization process carried out to meet the requirements of the second design.The comparison results of the structure model of Parts of the resulting and the initial model showed that:In meeting the installation，strength，stiffness，workability and other constraints，the total mass ratio of the initial model to reduce.

topology optimization；variable density method；teleoperation main hand；lightweight；HyperWorks

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.003

1002-6673（2015）02-007-03

2015-01-28

項目來源：國家科技計劃課題-精細遙操作主從機器人與人機交互控制系統（2012GB102005）

賈財運（1989-），男，山東菏澤人，在讀碩士研究生。研究方向：機械結構設計及優化。