1、微小型救援機(jī)械手的輕量化設(shè)計基金項目：吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目，吉教科合字153號作者簡介：張邦成（1972-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)，機(jī)電檢測技術(shù)與控制。Lightweight design of the miniature rescue manipulator張邦成1,譚海東1,邢天羿1,高長春2,柳虹亮1 ZHANG Bang-cheng1, TAN Hai-dong1, GAO Chang-chun2, XINGTian-yi1, LIU Hong-liang1（1.長春工業(yè)大學(xué)，長春 130012；2.長春市中小企業(yè)人才創(chuàng)業(yè)指導(dǎo)中心，

2、長春 130033)摘要：為了增強(qiáng)微小型救援機(jī)械手在狹小空間執(zhí)行救援任務(wù)的能力，提高救援效率，增加機(jī)械手的靈活性，節(jié)約成本，在深入分析微小型救援機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點和工作機(jī)理基礎(chǔ)上，對微小型救援機(jī)械手進(jìn)行輕量化設(shè)計。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench對關(guān)鍵零件進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出了零件的拓?fù)湫螤睿媚繕?biāo)驅(qū)動優(yōu)化方法得出了零件的基本尺寸，并用同樣的方法對手臂腕部進(jìn)行輕量化設(shè)計，輕量化后手臂總體質(zhì)量減輕6.71%，總變形減小了24.9%，達(dá)到了優(yōu)化目的。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；拓?fù)鋬?yōu)化；形狀優(yōu)化；輕量化；ANSYS Workbench中圖分類號: TH241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0引言微小型救援

3、機(jī)械手是微小型救援機(jī)器人的核心部分，它可以替代人從高溫、高壓、帶輻射等其他危險的工作環(huán)境中完成救援任務(wù)，其性能優(yōu)劣對微小型救援機(jī)器人的救援效率影響很大1。對于執(zhí)行救援任務(wù)的微小型救援機(jī)械手，輕量化能夠有效地減小轉(zhuǎn)動慣量，降低能量損耗，降低成本，增加機(jī)械手的靈活性，穩(wěn)定性，提高控制精度及救援效率,對成功完成救援任務(wù)具有重要意義2。目前，輕量化設(shè)計的基本方法可以歸結(jié)為兩類：一類是通過建立數(shù)學(xué)模型, 選擇優(yōu)化算法進(jìn)而計算求取最優(yōu)解的設(shè)計方法，高 微，楊中平,鐘國梁，蔣梁中等通過建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對搬運和排爆機(jī)械手進(jìn)行了輕量化設(shè)計3-4，此種方法已經(jīng)很成熟，但為了建立符合微小型救援機(jī)械手的完整的數(shù)學(xué)模

4、型會遇到很多困難，甚至比求解更為復(fù)雜，且模型通用性較差5；另一類則是利用有限元軟件的優(yōu)化方法，通過基于有限元的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化工具對目標(biāo)零件進(jìn)行輕量化設(shè)計，目前也有廣泛的應(yīng)用。張總利用ANSYS軟件對輪轂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其應(yīng)力分布更加合理，達(dá)到了提高材料的利用率和減輕自重的目的6。趙偉 ，殷國富等利用Solideworks和ANSYS對機(jī)器人的手臂進(jìn)行了性能分析和輕量化設(shè)計,有效的減輕了重量7。該方法具有較高的可靠性，優(yōu)化效果顯著，操作簡單，且通用性較強(qiáng)。在總結(jié)上述方法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS,依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化理論對微小型救援機(jī)械手的關(guān)鍵零件(大臂)進(jìn)行了拓優(yōu)化，得出了大臂在去除

5、材料后的拓?fù)湫螤?；利用目?biāo)驅(qū)動優(yōu)化方法對大臂進(jìn)行了形狀優(yōu)化，得出了最佳尺寸，并采用同樣方法對機(jī)械手腕部進(jìn)行輕量化設(shè)計，輕量化后的零件重量降低，尺寸和形狀以及強(qiáng)度能夠滿足要求，達(dá)到了輕量化目的。1 微小型救援機(jī)械手的工作機(jī)理分析設(shè)計的微小型救援機(jī)械手主要由大臂，小臂，腕部，末端夾持器組成，機(jī)械手固定在基座上實現(xiàn)位置移動。利用CATIA進(jìn)行了整體裝配，同時在建模時為了節(jié)省ANSYS軟件的分析時間，提高輕量化分析效率，簡化了對微小型救援機(jī)械手強(qiáng)度性能影響較小的特征，如螺釘孔，圓角等，裝配的總圖如圖1。圖1 機(jī)械手三維裝配總圖為了使機(jī)械手在保證執(zhí)行任務(wù)能力同時減小控制難度，設(shè)計的微小型救援機(jī)械手采用6

6、自由度設(shè)計（含末端夾持器的自由度），材料為6061鋁，如圖2為微小型救援機(jī)械手的自由度分配圖，其中基座部分可做±180°旋轉(zhuǎn)運動1；大臂關(guān)節(jié)可實現(xiàn)-30° 210°的俯仰運動2；大臂和小臂連接處的電機(jī)驅(qū)動小臂仰俯運動3，轉(zhuǎn)角范圍為±120°；小臂和腕部連接處的電機(jī)驅(qū)動腕部實現(xiàn)俯仰運動4，轉(zhuǎn)角范圍為±90°；腕部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運動5，旋轉(zhuǎn)范圍在±90°；末端夾持器開合運動6，運動范圍是0°120°?？紤]基座尺寸，救援工作空間為280mm×280mm×400mm。圖

7、2 機(jī)械手自由度分配圖2 微小型救援機(jī)械手的輕量化2.1 微小型救援機(jī)械手關(guān)鍵部件的工況確定與載荷計算設(shè)計的微小型救援機(jī)械手的額定載荷為1kg?？紤]工作環(huán)境的復(fù)雜性和控制精度的問題，所以要求機(jī)械手整體最大變形小于0.3mm。根據(jù)微小型救援機(jī)械手的工作特點，首先對機(jī)械手的變形機(jī)理進(jìn)行分析，可以判斷在手臂處于伸直狀態(tài)時其結(jié)構(gòu)變形可以看成懸臂梁變形，大臂承受著最大廣義力，是微小型救援機(jī)械手臂的關(guān)鍵部件。分析可知，大臂的受力來源于施加在機(jī)械手末端夾持器的外部載荷FA；手臂其它部分的重力（視為集中力）FB；由于分析是對大臂的分析，而FA、FB 的力作用點不在大臂上，故將力FA、FB等效平移到大臂上，并在

8、其上施加力矩MA，MB；大臂自身的重力G0。大臂受力詳見表1。表1 大臂的受力情況零件名稱FA（N）FB（N）G0（N）MB(Nm)MB(Nm)大臂1060.05630.8252.2 基于有限元的微小型救援機(jī)械手關(guān)鍵零部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化利用ANSYS Workbench進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為剛度的函數(shù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為求取最小位能；為了簡化數(shù)學(xué)模型選擇對設(shè)計質(zhì)量有顯著影響的偽密度作為設(shè)計變量，對微小型救援機(jī)械手的輕量化設(shè)計是基于已經(jīng)制造的機(jī)器人的基礎(chǔ)上的，需要滿足原來大臂的外形輪廓尺寸，所以，只對大臂做輪廓尺寸內(nèi)的優(yōu)化設(shè)計且將大臂的體積作為約束條件。ANSYS Workbench

9、拓?fù)鋬?yōu)化理論是根據(jù)限制條件, 求取目標(biāo)函數(shù)的最大或者最小值。在拓?fù)鋯栴}中, 設(shè)計變量賦與每個有限單元內(nèi)部偽密度。偽密度值從0 到1,代表材料從完全移除到完全保留。因為結(jié)構(gòu)剛度是衡量微小型救援機(jī)械手的重指標(biāo)，在體積約束條件和給定載荷下, 求最大結(jié)構(gòu)剛度就是在尋求最小靜態(tài)變形能。在這種情況下, 公式為：=Min f()s.t. 0<1 (i=1,2,N)VV0- V*其中, 為變形能, V 為計算體積, V*為被除掉的體積, N 為單元數(shù)量,V0為原體積。對于多載荷情況條件下, 求最大剛度問題可表達(dá)為：式中為第 j 種載荷情況下的變形能, Wj為最小變形能的載荷情況分量8。利用ANSYS W

10、orkbench中拓?fù)鋬?yōu)化模塊對大臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖3（a）所示，圖中深色區(qū)域為可去除材料區(qū)域，對于可去除區(qū)域，有三種方案：方案一可以采用階梯孔，方案二采用多通孔，方案三采用兩個寬度一致的通孔，從加工工藝和節(jié)省材料，降低成本的角度對比可知，方案三最適合，另外由于臂體的輪廓尺寸已經(jīng)固定，故對大臂在去除材料部分的輪廓進(jìn)行處理后選擇易于加工的拓?fù)湫螤?，得到處理后的大臂如圖3(b)所示圖3（a） 拓?fù)鋬?yōu)化后的大臂圖圖3（b） 處理后的大臂圖2.3 基于有限元的微小型救援機(jī)械手關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化利用ANSYS Workbench中的快速優(yōu)化工具Design Explore對大臂在拓?fù)鋬?yōu)化后的形狀進(jìn)行形

11、狀優(yōu)化設(shè)計9 ，Design Explore是用來幫助設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)之前了解分析不確定因素對產(chǎn)品的影響，根據(jù)給定的多個優(yōu)化參數(shù)范圍給出符合設(shè)計的最佳設(shè)計點，進(jìn)而最大可能地提高產(chǎn)品性能。由于救援機(jī)械手大臂各個安裝孔的尺寸已經(jīng)確定，故只對拓?fù)鋬?yōu)化后的兩個大孔和鋁板的厚度進(jìn)行優(yōu)化，將大臂的質(zhì)量，最大變形，最大應(yīng)力作為輸出參數(shù)，且通過靜力學(xué)分析得出優(yōu)化前的最大變形為0.059mm，等效應(yīng)力為36.927MPa，質(zhì)量為19.300g。將孔的長度、寬度和板厚作為優(yōu)化輸入?yún)?shù)并設(shè)定輸入?yún)?shù)的上下限值，具體參數(shù)見表2表2 尺寸優(yōu)化輸入?yún)?shù)表項目（單位）初始值上限下限大孔長（mm）2421.60026.

12、800小孔長（mm）1816.20019.800孔寬 （mm）1412.60015.400板厚 （mm）43.6004.400利用ANSYS Workbench中的Local Sensitivity命令，可以得出各個輸出參數(shù)對輸入?yún)?shù)的靈敏度，如圖4。通過靈敏度分析，能夠得出在優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中設(shè)計變量的改變對優(yōu)化目標(biāo)變量的影響程度，同時也為優(yōu)化多輸入變量的簡化提供理論依據(jù)，通過剔除對輸出變量影響小的輸入變量，可以大大簡化計算量提高設(shè)計效率10。 圖4 各輸出參數(shù)對輸入?yún)?shù)的靈敏度分析從圖4可以看出對于質(zhì)量和最大等效應(yīng)力，板厚和孔寬是主要影響因素。對于最大總變形，大孔的長與板厚是主要影響因素，同時

13、通過靈敏度分析可以看出，大臂的鋁板厚度是影響整個優(yōu)化的主要輸入變量，這和實際經(jīng)驗相符，驗證了靈敏度分析的正確性。根據(jù)以上分析，剔除影響較小的設(shè)計變量，得出設(shè)計變量與優(yōu)化變量的關(guān)系如圖5（a、b、c）所示。圖5(a) 板厚、大孔長與質(zhì)量的關(guān)系圖5（b） 板厚、大孔長與總變形的關(guān)系圖5(c) 板厚、大孔長與等效應(yīng)力的關(guān)系從圖中可以得出很難讓所有的輸出變量同時達(dá)到最優(yōu)解，由于應(yīng)力和質(zhì)量在給定的輸入?yún)?shù)范圍內(nèi)變化不大。所以，設(shè)計要求中的最大變形成為主要的限制因素，選擇的最優(yōu)設(shè)計點將是滿足總變形最小的設(shè)計點，最后在程序得出的三個最佳設(shè)計點中選擇最大變形為0.045mm，等效應(yīng)力為33.064MPa，質(zhì)量

14、為16.600g的設(shè)計點，且三項指標(biāo)都小于優(yōu)化前的數(shù)值。采用同種方法對手臂腕部進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后腕部質(zhì)量減輕7.01g。因為大臂是整個機(jī)械手的關(guān)鍵部件，故根據(jù)大臂的總變形計算出手臂末端的總變形作為整個手臂變形的參考值，優(yōu)化前末端總變形為0.261mm.優(yōu)化后末端總變形為0.196mm. 優(yōu)化前后三維圖對比如圖6（a、b）。綜合拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化的優(yōu)化結(jié)果，輕量化前后手臂的各項指標(biāo)對比見表3。 圖6(a ) 輕量化前機(jī)械手的三維模型圖6(b) 輕量化后機(jī)械手的三維模型表3 機(jī)械手輕量化前后各項指標(biāo)對比項目大臂質(zhì)量（g）腕部質(zhì)量（g）手臂總質(zhì)量（g）手臂總變形（mm）最大應(yīng)力（MPa）優(yōu)化前19.3

15、4×228.23302.420.261 36.927優(yōu)化后12.66×221.29282.110.19633.064對比減重34.5.%減重27.48% 減重6.71%減小24.90%減小10.40%3 結(jié)論通過拓?fù)鋬?yōu)化以及尺寸優(yōu)化可以得出，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力約為33.064MPa，小于輕量化前的應(yīng)力，具有較高的安全系數(shù)；優(yōu)化后大手臂的總變形約為0.196mm小于要求值0.3mm，并且小于優(yōu)化前的優(yōu)化前0.261mm；優(yōu)化前的質(zhì)量是302.42.0g，優(yōu)化后的質(zhì)量是282.11g。減輕的質(zhì)量約為原來質(zhì)量的6.7%，有效的減輕了手臂大臂的重量。減少了6061鋁的用量，

16、達(dá)到了降低成本的目的，通過優(yōu)化結(jié)果可以得出微小型救援機(jī)械手的輕量化設(shè)計是合理的，結(jié)果滿足設(shè)計要求。采用的方法，通用性較強(qiáng)，可以用于其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。參考文獻(xiàn)：1 樊炳輝,焦浩,賈娜. 基于ANSYS Workbench的排爆機(jī)器人機(jī)械手靜力學(xué)分析J. 制造業(yè)自動化,2014,04:34-36.2 Chen C Z, Xiang H W, Ye C L. Analysis of Articulated Mobile Robots for the Urban Search and RescueJ.Applied Mechanics and Materials, 2013, 303: 1641-1646.3 高微,楊中平,趙榮飛,薛娟萍.機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計J. 機(jī)械設(shè)計與制造 2006(1):13-15 4 鐘國梁,蔣梁中.智能排爆機(jī)器人機(jī)械手部設(shè)計及其優(yōu)化J.機(jī)械傳動,2009,(4):50-51.5 董立立, 趙益萍,梁林泉等.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計理論方法研究綜述 J機(jī)床與液壓,2010(8):114-1196 張總.鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗分析J. 現(xiàn)代制造工程,201