狹小空間袋裝貨物機(jī)器臂設(shè)計(jì)

謝雋賢，程 鵬，李 維，旦增羅杰，呂海濤

(1. 成都理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川成都 610059；2. 四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，四川成都 610059；3. 西藏自治區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，西藏拉薩 850000)

0 引言

為了解決在狹小空間里方便拿取袋裝貨物的問題，在空曠的空間里工作的機(jī)械臂已經(jīng)達(dá)成熟的技術(shù)研究基礎(chǔ)上[1-2]，以及利用現(xiàn)在機(jī)械臂的自由度越來越多的條件，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)[3]，在未來的機(jī)械臂將會(huì)更加智能化，能自動(dòng)校準(zhǔn)一些錯(cuò)誤[4]，機(jī)械臂再也不是兩三個(gè)學(xué)科的融合，而是把更多的技術(shù)融合在一起來提高機(jī)械臂的智能化程度，例如采用人工智能、計(jì)算機(jī)視覺[5]、遺傳算法[6]以及使用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)來保證工作人員的身體健康[7]，或者是采用激光技術(shù)來制導(dǎo)[8]，擁有更高的精度來實(shí)現(xiàn)更加精密的操作需求，甚至還有研究采用人做手勢(shì)控制的方法傳遞給機(jī)械臂，來完成動(dòng)作復(fù)雜、精度需求較高且重量遠(yuǎn)超人所能承受的工作[9-10]，Ji[11]等，使用拓?fù)鋬?yōu)化，在滿足機(jī)械臂強(qiáng)度和工作要求各方面之下，最大程度減少整體結(jié)構(gòu)自身的重量.筆者在學(xué)習(xí)后，產(chǎn)生了設(shè)計(jì)機(jī)械臂的想法.

本文設(shè)計(jì)了一種能夠從火車貨運(yùn)箱高處的狹小空間里抓取物體(編織袋袋裝貨物，如糧食或化肥等)，并且放置在貨運(yùn)托盤上的機(jī)械手臂，利用SolidWorks構(gòu)建實(shí)體的三維模型，然后利用ANSYS Workbench軟件[12-13]對(duì)整體機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和形變大小進(jìn)行分析，為以后的機(jī)械臂的電機(jī)選取，機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考.

1 取物機(jī)器臂的三維模型

由于從火車棚車內(nèi)取下的貨物大多數(shù)是用編織袋裝的糧食或化肥等，經(jīng)過試驗(yàn)，用真空泵和吸盤的方法，能夠很穩(wěn)定的吸起一袋貨物，所以采用此種方法[14]，吸盤直接焊接在前端主桿的尖端正下方位置，保持與地面的水平.

為了能在狹小空間里吸取貨物，在前端主桿的適當(dāng)距離處，用90°的彎曲處理，彎曲處后面采用較其余部分更小的尺寸，保證吸盤能伸進(jìn)去一段長(zhǎng)度吸附在貨物的中心位置，吸穩(wěn)貨物，避免吸在邊緣處，吸力不夠，貨物落下的危險(xiǎn)情況.

因?yàn)樗瓿傻膭?dòng)作并不是很復(fù)雜，主要需要穩(wěn)定可靠，于是有了采用連桿機(jī)構(gòu)的想法，動(dòng)作循環(huán)往復(fù)，可靠性高，根據(jù)所要達(dá)到的目標(biāo)要求，主桿采用雙連桿機(jī)構(gòu)，副桿采用的是四桿機(jī)構(gòu)，這樣可以使前端釣取重物的抓取部分始終保持在水平平衡，避免它過分劇烈的搖晃或者擺動(dòng)，影響到抓取的成功性.

機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過推拉主桿之間的兩對(duì)半月型連接桿來實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的上下，在下部使用可以旋轉(zhuǎn)的底座來實(shí)現(xiàn)環(huán)向的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)放到后面托盤上的要求.兩根主桿，均采用力學(xué)性能良好的類似工字型結(jié)構(gòu)，減少對(duì)耗材的使用，用銷軸進(jìn)行連接.

整個(gè)機(jī)械臂，工作情況里最極端的兩種情況，第一就是去車皮最上面的狹小空間處吸取貨物，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，還有吸取貨物后，整個(gè)機(jī)械臂打直，去放置在托盤的最邊緣位置處，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，所以分兩個(gè)情況進(jìn)行建模和分析.

圖1 第一種工況結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the first working condition

在SolidWorks中建立機(jī)械臂，兩種工況的三維模型，由于細(xì)小的結(jié)構(gòu)較多，在建模過程中，忽略對(duì)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度影響不大的特征元素進(jìn)行簡(jiǎn)化，將各種連接如齒輪嚙合簡(jiǎn)化為軸與孔接觸、螺栓連接簡(jiǎn)化為面接觸，忽略螺紋、倒角等對(duì)力學(xué)性能分析影響較小的特征.

2 有限元模型

2.1 劃分網(wǎng)格和邊界條件設(shè)定

將建立好的三維模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench里面，所有的網(wǎng)格劃分方法用有限元里的四面體結(jié)構(gòu)，10節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的solid187單元，其結(jié)果將會(huì)優(yōu)于4節(jié)點(diǎn)的結(jié)果，為了生成質(zhì)量較好的網(wǎng)格，過渡采取slow的方法，對(duì)于機(jī)械臂的有限元仿真分為兩種極端情況來考慮其強(qiáng)度和變形是否在安全范圍內(nèi)，選用的材料是結(jié)構(gòu)鋼，它的許用應(yīng)力為250 MPa，在基座的底面采用固定約束，考慮整個(gè)機(jī)械臂的自重，在前臂的最前端下用500 N的力來模擬吸盤抓取了編織袋的情況.

2.2 第一種工況的力學(xué)分析

考慮第一種伸長(zhǎng)機(jī)械臂去高處抓取重物的工況，劃分網(wǎng)格后，得到675198網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，413980網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元質(zhì)量良好，可以進(jìn)行模擬，各個(gè)構(gòu)件之間連接方式選取Bonded連接方式.

根據(jù)建立的有限元分析模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真計(jì)算，得到機(jī)械臂結(jié)構(gòu)在第一種工況下的等效應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示，等效應(yīng)力云圖如圖4所示.

由圖中可知，機(jī)械臂的最大彈性應(yīng)變出現(xiàn)在主桿的最前端抓取重物處，最大形變量為3.041 mm，在主桿的末端位置，有應(yīng)力集中，為最大等效應(yīng)力位置，為28.779 MPa，但小于結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力，說明機(jī)械臂在第一種工況下，滿足強(qiáng)度和剛度要求.

2.3 第二種工況的力學(xué)分析

考慮第二種伸長(zhǎng)機(jī)械臂抓著重物，平放在托盤上的工況，網(wǎng)格劃分后，得到718804網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，409981網(wǎng)格網(wǎng)格單元質(zhì)量良好，可以進(jìn)行模擬，各個(gè)構(gòu)件之間連接方式選取Bonded連接方式.根據(jù)建立的有限元分析模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真計(jì)算，得到機(jī)械臂結(jié)構(gòu)在第二種工況下的等效應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示，等效應(yīng)力云圖如圖6所示.

由圖中可知，機(jī)械臂的最大彈性應(yīng)變出現(xiàn)在主桿的最前端抓取重物處，最大形變量為3.49 mm，在主桿前端桿的末端位置，有應(yīng)力集中，為最大等效應(yīng)力位置，為53.387 MPa，仍小于結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力，說明機(jī)械臂在第二種工況下，仍滿足強(qiáng)度和剛度要求.

3 結(jié)果

在兩種工況下得到計(jì)算結(jié)果，為檢驗(yàn)結(jié)果可靠性，借助材料力學(xué)進(jìn)行校核.

不論是前端主桿還是后端主桿，都是采用的工字型截面，因?yàn)楣ぷ中徒孛婢哂辛己玫牧W(xué)性能，并且具有對(duì)稱性，截面圖中，豎直的中心線為y軸，水平的中心線為z軸，工字鋼截面對(duì)z軸的慣性矩為：

式中，B為整個(gè)的寬度，H為整個(gè)的高度，b為凹陷部分的寬度，h為凹陷的高度

可以求得Iz，當(dāng)在末端掉起一個(gè)50 kg的重物，由材料力學(xué)可知，此時(shí)會(huì)在根部產(chǎn)生彎曲正應(yīng)力σ，彎曲正應(yīng)力又在離中性軸最遠(yuǎn)的上下邊緣處達(dá)到最大，在產(chǎn)生正應(yīng)力最大的地方，其截面寬度、面積也是截面里最大的，相比其他地方可以承受更大的正應(yīng)力，保證了材料不會(huì)被輕易破壞，并且，使用工字型截面(相比實(shí)心梁、桿)可以節(jié)約對(duì)材料的使用，綜上所以設(shè)計(jì)的主桿截面是工字型截面，再由力乘以力矩求得彎矩大小，和彎曲正應(yīng)力公式，可求得彎曲正應(yīng)力(g取10 kg/N)

對(duì)于第一種工況，主桿后端桿是處于垂直樹立的情況下(這樣可以使機(jī)械臂盡量向高處伸去)，視作只有前端桿，這一段懸臂梁，此時(shí)力矩最大為l=850 mm，邊緣最大距離為ymax=60 mm，懸臂梁外伸端受單一垂直方向的力，產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力遠(yuǎn)大于產(chǎn)生的彎曲剪應(yīng)力，忽略不計(jì)，則在根部位置，是最危險(xiǎn)的，其截面形狀和尺寸如圖7所示.

由上面的公式所計(jì)算出來的σ1為10.63 MPa，從第一種工況里面，利用ANSYS Workbench里的section功能，劃出前端主桿根部截面的有限元分析結(jié)果如圖8所示.

由圖中可以看出，其工字型截面的應(yīng)力分布，滿足材料力學(xué)的理論，其數(shù)值于理論求解的數(shù)值，也較為相近，證明了，第一種工況的結(jié)果具有可靠性.

在第二種工況下，兩段的臂在完全伸直時(shí)，這種情況下，懸臂梁的最大力矩為l=1 800 mm，邊緣最大距離ymax=80 mm，最容易發(fā)生破壞的在后端主桿的根部位置，根部的截面形狀為如圖9所示，由上面的公式所計(jì)算出來的σ2為15.52 MPa，再?gòu)牡诙N工況里面，利用ANSYS Workbench里的section功能，劃出其根部截面的有限元分析結(jié)果如圖10所示.

因?yàn)橛邢拊腔趶椥粤W(xué)的基礎(chǔ)上，彈性力學(xué)是在彈性區(qū)域內(nèi)嚴(yán)格考慮靜力學(xué)，幾何學(xué)，物理學(xué)，建立3套方程，并考慮邊界上的受力或約束條件下求解的過程，其結(jié)果更加精確和可信，由上面兩組的結(jié)果比對(duì)，可以得知，理論預(yù)估的結(jié)果，雖存在一定的偏差，但是在有限元結(jié)果的范圍之內(nèi)，這樣便保證了前面的建模和有限元求解的結(jié)果具有可靠性.

4 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過計(jì)算和分析得到以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)極限的兩種工況的靜力學(xué)分析，第一種工況的最大等效應(yīng)力為28.779 MPa，應(yīng)變3.041 mm，第二種工況的最大等效應(yīng)力為53.387 MPa，應(yīng)變3.49 mm，機(jī)械臂整體的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求.

(2)機(jī)械臂在前端主桿位置變形較大，在后期中需要對(duì)此處進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)為之后的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電機(jī)的選取，提供理論依據(jù).