附加軸式機械手的開發設計與分析

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械手裝置為研究對象，主要用于物料快速抓取。新型機械手安裝在工業機器人末端執行器法蘭盤上，具有模塊化強、安裝便捷、動作靈敏、小空間活動自由度高等優點。通過對機械手關鍵部件旋轉臂、連接座結構的開發設計與分析，找到輕量化目標部位，進行輕量化結構改進設計，進一步穩固整機在最大水平位姿的動態性能。所提出的機械手開發設計與分析思路，可以為工業機器人的產業化應用提供有效參考。

關鍵詞：機械手;輕量化設計;結構改進

中圖分類號：TP241.2文獻標志碼：A文章編號：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

工業機器人由機械本體、減速機、電機、伺服驅動系統、傳感器構成等，具備在三維空間完成指令控制自動作業的能力。機器人技術整合了機械、計算機、傳感器、人工智能、控制等多學科技術，涉及的領域廣泛[1-2]。

機械手作為機器人的重要結構之一，具有焊接、噴涂、搬運及物料的抓取等多個用途，使得傳統的純人工操作方式被逐漸替代。特別在一些惡劣的生產環境中（如噴涂車間、焊接車間、注塑車間等），機械手的應用可很大程度地減少人員作業帶來的傷害[3]。根據抓取目標的特征，機械手具有多種結構細節形式，其轉動、復合動作的實現由上級運動機構（工業機器人末端執行器法蘭盤）驅動實現[4]。目前，通用機械手技術受到國內外的重視，研究氛圍活躍，相關品種的產品在不斷增加[5]，而在發展方面，國內與國外發達國家的機械手對比，仍有一定程度的差距[6]。現有機械手通常直接安裝于法蘭，當需要在空間狹窄的場合工作時，機械手容易和其他結構干涉碰撞，易造成機械手的損壞。另外，現有的機械手用于物料抓取時，物料抓取效率不高，機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械手裝置為研究對象，安裝在一款負載3 kg 、工作范圍580 mm 的工業機器人上，要求抓取目標最大質量為0.5 kg 。通過對機械手作結構相關的開發設計與分析，旨在為工業機器人的產業化工程應用提供相關參考。

1 開發設計

新型機械手裝置安裝在6軸工業機器人的末端執行法蘭盤上，整體布局方案如圖1所示。新型機械手裝置主要由旋轉臂、真空吸盤組、伺服電機、減速機、連接座等5大部件組成，如圖2所示。與常規方案不同的是，通過機械手的伺服電機+減速機組合，為工業機器人增加了1個附加軸，大大增加了其動作的靈活性，同時空間的協作性得到很大提升，小空間作業優勢明顯。

整個機械手裝置由機器人末端法蘭連接座通過定位環、內六角螺絲固定在機器人的末端執行法蘭盤上，整體隨機器人第6軸進行旋轉運動，安裝便捷，模塊性強;伺服電機+減速機組合安裝在機械手連接座部件上;旋轉臂結構通過螺紋孔與電機、減速機組合連接，進行動力傳遞;真空吸盤組通過螺紋連接在旋轉臂底部法蘭盤上，管路、線路通過執行模塊的中空結構進行固定，減少纏繞。

與機械手連接的工業機器人呈串聯6關節形式，此類構型的機器人在水平位姿狀態動態性能最差[7]。為保障機械手在水平極限位姿（圖3）工作時，具備良好的動態性能，避免氣管、線纜在機械手運動過程中對負載的動態影響，達到定位精準、運行穩定、響應快速、動作靈活的效果，根據設計經驗，一般將安全系數設置為不低于2，即實際總負載（機械手質量+抓取目標質量）不超過1.5 kg。

隨著科學工程技術的快速發展，機器人的關節式部件朝著輕質、柔性、安全、高精度的方向在發展[8]。然而，機械手的穩定性還有較大的進步空間[9]。其中，關鍵部件的質量過大是影響整體穩定性的一個不容忽視的因素。標準件質量方面，安裝在機械手連接座部件上的伺服電機質量約0.3 kg ，減速機質量約0.4 kg;安裝在旋轉臂上的真空吸盤組質量約0.05 kg 。經分析，標準件總質量約0.75 kg ，抓取目標最大質量0.5 kg ，則要求非標件連接座、旋轉臂在滿足工況的情況下，總質量控制在0.25 kg內。故機械手在滿足使用要求的情況下，需進行輕量化設計，同時對輕量化后的改進結構模型進行校核，以保障輕量化的有效性、可行性[10]。

2 輕量化設計

旋轉臂、連接座使用密度為密度2700 kg/m3的鋁合金材料，原設計模型的體積、質量參數如表1所示。由表可知，原模型的連接座、旋轉臂總質量為0.44 kg，比目標質量超出了0.19 kg 。接下來，需要在滿足加工工藝要求及材料強度的情況下，對這兩個部件進行輕量化設計。

2.1 旋轉臂輕量化設計

模型導入：將旋轉臂模型保存為通用格式x_t，導入有限元分析軟件中。

材料設置：設置旋轉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。

網格劃分：對模型進行網格劃分設置，采用自由網格形式，以尋求運算精度和計算機性能間的平衡。

施加約束：旋轉臂通過法蘭凸臺固定在減速機上，故在凸臺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臂底部法蘭盤上，在工作過程中，通過吸盤端面抓取目標，故旋轉臂的負載為吸盤組質量0.05 kg+抓取目標最大質量0.5 kg ，共計0.55 kg 。即旋轉臂的載荷大小為5.39 N ，作用在底部法蘭盤通孔上，如圖5所示。

求解結果與分析：運行有限元模型，求解的旋轉臂有限元等效應力云圖結果如圖6所示。最大應力發生在底部法蘭盤中間通孔邊界，最大應力值0.42 MPa ，在材料屈服強度范圍內，認為滿足結構強度。

通過仿真分析發現，區域1、區域2所受應力值比較小，可見初始設計偏保守，導致這2個區域結構臃腫，有進一步輕量化的空間。結合經驗設計及理論分析，認為在滿足結構強度的前提下，輕量化方向為：（1） 對旋轉臂支撐柱做適當掏空減重處理;（2）減小機械手旋轉臂部件支撐柱的厚度;（3）適當掏空底部法蘭盤局部位置。

經過多次迭代設計、仿真，最終得到滿足結構強度及輕量化要求的旋轉臂結構，其有限元等效應力模型云圖如圖7所示。經過輕量化迭代設計，旋轉臂最大應力發生在支撐柱掏空孔邊緣處，最大應力值 1.1 MPa，未超出材料屈服強度，滿足結構強度要求;旋轉臂體積由 93 931.6 mm3 減小為38 553.7 mm3 ，質量由0.25 kg降低為 0.1 kg。

2.2 連接座輕量化設計

同理，將連接座模型導入有限元分析軟件中，設置為鋁合金材料，材料屬性和旋轉臂一致，網格智能劃分。施加約束：連接座通過其頂部法蘭盤固定在工業機器人末端法蘭盤上，故在與機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+減速機組直接固定在連接座側面法蘭盤上，旋轉臂固定在減速機一端，吸盤組固定在旋轉臂，故連接座的負載為：電機質量 0.3 kg+減速機質量 0.4 kg+旋轉臂輕量化后的質量 0.1 kg+吸盤組質量 0.05 kg+抓取目標最大質量0.5 kg，共計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。

求解結果與分析：設置完成，對模型進行有限元求解，圖10所示為連接座有限元等效應力云圖結果，最大應力發生在側面法蘭盤處，應力值為0.71 MPa，在材料屈服強度范圍內，認為滿足結構強度。

仿真分析發現，因初始設計偏保守，該區域結構臃腫，受應力值較小，可對此處做適當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力模型云圖如圖11所示，最大應力值及發生位置不變，體積由69613.3 mm3 減小為46417.3 mm3，質量由0.19 kg降低為0.13 kg。

2.3 結果分析

旋轉臂、連接座結構改進的目標函數為減輕重量;設計變量為在結構強度大的地方適當掏空體積;約束條件為允許28 MPa的最大應力。通過先后對旋轉臂、連接座進行有限元靜力學分析，找到結構所受應力較小部位，作為輕量化重點對象。通過結構迭代設計、對改進模型的有限元靜力學分析求解，來校核模型的體積、質量、應力參數，直至完成輕量化設計。

輕量化前后，旋轉臂、連接座的掏空體積、最大應力、質量、減重值對比結果如表2所示。由表可知，旋轉臂進行輕量化結構改進后，改進模型在滿足材料許用應力的前提下，輕量化效果明顯，由 0.25 kg 減重為 0.1 kg，質量減小了0.15 kg （60%）;連接座進行輕量化結構改進后，改進模型在滿足材料許用應力的前提下，由0.19 kg減重為0.13 kg，質量減小了0.06 kg（31.6%）。

3 結束語

附加軸式機械手，區別于常規機械手布局，通過機械手內置伺服電機+減速機組合，構成一個附加軸式抓取模塊，直接安裝在工業機器人末端法蘭盤上，具備模塊化、便捷安裝等優勢。同時，多了1個運動軸的工業機器人，動作的靈活性、空間的協作能力提升明顯，小空間作業優勢尤其明顯。然而，附加軸式機械手因比常規機械手結構多了伺服電機、減速機，整機的動態性能無形中受到了影響，特別是最大水平位姿的動態性能，故為保障其動態性能的穩定性，需要對機械手關鍵部件進行輕量化處理。

通過對關鍵部件旋轉臂、連接座的有限元靜力學分析求解，找到輕量化目標部位，經過結構迭代設計，多次校核，結合改進前后的參數變化，結果表明該方法有效可行。本文為機械手關鍵部件的設計、結構參數輕量化分析及改進提供了一種較為有效的參考。

參考文獻：

[1] ETRO.New Possibilities for Japan's Robot Industry[J]. Japan'sEconomic Monthly， 2006（1）：4.

[2] 何玉輝.生產線搬運機械手控制系統研究[D].成都：西南石油大學，2016.

[3] 王雄耀.近代氣動機器人（氣動機械手）的發展及應用[J].液壓氣動與密封，1999（5）：13-16.

[4] 馬超坤.懸鏈涂裝線上車輪搬運機器人的軌跡規劃[D].濟南：濟南大學，2016.

[5] 吳俊利.搬運機械手的抓取設計及軌跡控制研究[D].秦皇島：燕山大學，2016.

[6] 曹祥康.我國機器人發展歷程[J].機器人技術與應用，2009（3）：32-36.

[7] 程麗，劉玉旺，駱海濤，等.165 kg 焊接機器人有限元模態分析[J].機械設計與制造，2012（1）：148.

[8] 李尚會，楊慶華，鮑官軍，等.基于FPA的新型氣動柔性球關節的研究[J].浙江工業大學學報，2009，37（6）：662-666.

[9] 吳宗澤，羅勝國.機械設計課程設計手冊[M].北京：高等教育出版社，2006.

[10] Marklund P O， Nilsson L.Optimization of a car body componentsubjected to side impact[J].Structural & Multidisciplinary Optimization， 2001， 21（5）： 383-392.

第一作者簡介：鄭秀宏（1989-），男，廣東人，碩士研究生，工程師，研究領域為產品、裝備結構設計制造及有限元分析，已發表論文6篇。（編輯：王智圣）