并联机械手结构设计与分析*

邓小林，梁仪瑜，沈柱林

（梧州学院机械与材料工程学院，广西梧州 543002）

并联机械手结构设计与分析*

邓小林，梁仪瑜，沈柱林

（梧州学院机械与材料工程学院，广西梧州 543002）

在阐述当前机械手设计的基础上，对所设计的三自由度并联机械手的技术参数进行了确定，对三自由度关联机械手的总体结构进行了设计。根据机械手的工作要求，对其运动轨迹进行了规划和优化。利用Pro/Engineer的Pro/Mechanism模块的仿真功能对机械手进行了运动仿真分析，最后利用Pro/Engineer的Pro/Mechanica模块对机械手进行了静力学和模态分析，取得了满意的效果。

并联机械手；三自由度；静力学分析；模态分析

0 引言

按照机械结构对机械手进行分类，可分为串联机械手和并联机械手两种类型，其中传统的机械手主要由固定基座、绘制腰部、主动大臂、从动小臂、碗部关节以及抓举手部等几个部分构成，各个结构之间以串联方式联接，这种结构形式的机械手，称之为串联机械手。而并联机械手通常是由动平台、定平台以及用来联接的多个支关节所构成，其中支关节由一个或多个驱动器驱动，驱动器可以是一个或多个［1-2］。并联机械手相对于串联机械手具有刚度大、精度高、承载能力强、误差积累小等一系列优点［3-4］。目前国内外针对机械手的相关研究很多，如；针对机械手的控制系统，邓娜［5］等人以专用深孔镗床的上下料机械手为对象，研究了以PLC编程实现机械手各种动作的自动化过程，并设计了系统的硬件和软件，曾文萱［6］等人则针对磨齿机自动上下料机械手，对其控制系统进行了研究与开发。针对数控机床刀库的可靠性研究以及故障筛选和诊断方面，葛甜［7］等人以车铣复合加工中心的盘式刀库及机械手为研究对象，对盘式刀库及机械手可靠性增长试验方法进行了研究，提出了一种可靠性增长试验方法，金渊源［8］等人针对链式刀库及机械手常见故障模式与失效机理的分析，提出了一种基于环境应力筛选的早期故障试验方法，李加明［9］等人则针对链式刀库及机械手的可靠性问题，提出并设计了一种针对链式刀库及机械手的可靠性试验装置。李小霞［10］和崔龙飞［11］等人针对机械手轨迹规划和运动仿真方面进行了研究。史步海［12］和熊毅［13］等人，则针对整个机械手的机械结构以及控制系统进行了研究，并开发出了相应的产品。针对并联机械手方面，梅江平［14］和张善青［15］等人分别针对并联机械手的位置控制以及轨迹规划和数值仿真分析进行了相关研究。本论文主要研究一种三自由度并联机械手，对机械手的总体结构进行设计，运用Pro/Engineer进行数字化三维设计，对其运动轨迹进行研究和优化，在此基础上，对其进行运动仿真以及静力学和模态分析。

1 技术参数确定

本机械手设计的搬运对象为直径40～85mm、厚度为10mm、重量约为150～250g的圆柱型产品。所设计的机械手技术参数如表1所示。

表1 机械手技术参数表

2 机械手总体结构设计

本机械手主要由进给机构、主力臂、连接支架、从动臂、执行末端以及手爪几个部分组成。进给机构实现整个机械手沿进给螺旋杆的直线运动。主动臂和从动臂通过连接支架进行链接。两个主动臂由安装在机座上的电机驱动，在执行末端平台上，安装有一个用来夹持工件的手爪，手爪由安装在执行末端平台上的电机驱动。整个机械手的总体三维结构如图1所示。

图1 机械手总体结构图

3 轨迹规划

3.1 机械手轨迹初步规划

根据所设计的机械手工作原理，其主要工作过程由抓取物体、上升、水平移动到工作位置、下降、释放物体、然后再上升、空载水平移动返回、再下降到初始位置这几个工作过程不断循环所构成。根据其工作过程，对其进行初步轨迹规划，规划的初步轨迹如图2所示。

图2 机械手路径初始规划图

3.2 机械手轨迹优化

轨迹优化的目的是为了减少机械手在运行过程中的振动以及噪音等，通过优化使得机械手能在满足最大加速度和速度的同时，使其时间最短、效率最高，并且尽可能保证机械手在运行过程中的速度和加速度变化连续，避免其突变所造成振动和对设备的损坏。

考虑到本机械手抓取物体相对较轻，这里仅考虑速度和加速度突变情况对机械手所引起的冲突进行分析和优化。通过分析机械手轨迹初步规划可知，其突变主要出现在直角转角处，这里通过对轨迹圆角处倒圆可大幅降低速度和加速度突变情况。首先通过对转角处进行圆角处理，然后利用Pro/Engineer运动学仿真分析，分析其位移、速度、加速度随时间变化的仿真结果，以此为基础，对圆角处理过后的轨迹，进行位移、速度、加速度仿真分析，通过对比和调整，得到相对较好的机械手路径规划图。

这里首先采用Pro/Engineer对主力臂速度、加速度、位置等进行仿真分析。根据轨迹的初步规划，确定仿真初始路径运动范围为h600mm×b250mm，初始角θ=0°。定义电动机初始设计速度为100deg/sec，设置时间为18s完成整个周期。设置完成各个参数后，对机构进行Pro/Engineer运动学仿真分析，得到如图3所示的左、右臂位移、速度、加速度仿真结果。

图3 左、右臂优化前运动仿真分析结果

通过分析左、右臂优化前运动仿真分析结果可知，速度和加速度突变情况较多，其振动和冲击相对较大，尤其当执行末端运动到B和C处时，主动臂（原动件）由于速度与加速度发生突变，将会导致机械手本身的冲击以及噪音，其抓取效率将会降低。因此，有必要对路径进行优化。这里，在机械手转角处进行圆角处理，将如图4所示的路径作为机械手进行抓取物件的工作路径。在升高A-B段，路程为S1，时间为T1；水平移动为B-C段，路程为S2，时间为T2；下降段为C-D高度S3，时间为T3。

图4 优化后的机械手路径规划图

通过对优化后的路径进行仿真分析，得到如图5所示的左、右臂优化后的运动仿真分析结果。通过分析可以发现，相对于优化前，其速度和加速度突变情况已大量减少，其冲击和振动也将在原有基础上大幅度降低。

图5 左、右臂优化后运动仿真分析结果

4 基于Pro/Mechanism的机械手运动仿真分析

这里利用Pro/Engineer的机构分析模块来对所设计的机械手进行运动仿真分析，Pro/Engineer的Pro/Mechanism机构分析模块是一个集运动仿真与机构分析于一体的模块。可以根据设计要求，定义各机构连接副之间的关系，并设置好相应的运动参数后，就可以对机械产品进行机构运动分析与仿真，进而得出整体运动轨迹与相关零件之间的运动参数。

这里，根据设计要求定义手爪齿轮副连接，设置两个主动臂、手爪电机以及丝杠电机参数。通过分析，得到如图6所示的主动臂末端在X、Z分量的速度分布图。

图6 主动臂末端速度图

通过运行Pro/Engineer的Pro/Mechanism机构分析模块对X、Y方向的位移分量测量分析，得到如7所示的执行末端（手爪）位移分析图。

图7 执行末端（手爪）位移图

5 基于Pro/Mechanica的机械手有限元分析

Pro/Mechanica是Pro/ENGINEER软件的一个集成模块，主要用于构件的结构分析和热力分析。采用其它的结构分析软件，由于其建模功能相对较弱，往往需要将建模功能相对较好的建模软件（如Pro/Engineer）建立好的模型通过IGES或者STEP等格式来进行图形格式的转换，加上软件之间的不完全兼容现象的存在，所以在后续的分析当中，需要花费大量的时间和精力来对模型进行修补以能持续分析［16］。Pro/Mechanica模块是集静态、动态结构分析于一体的有限元分析模块，能对零件和组件进行静态分析、模态分析、预应力分析、接触以及失稳分析，还可以根据热力状态进行灵敏度分析以及优化设计［16］。通过Pro/Engineer构建的模型，可以直接导入Pro/Mechanica里做结构和热力分析而无需兼容的问题。

5.1 机械手静力学分析

静力学分析能分析机械手在受到固定载荷后各部分的应力情况，能为了解机械手各部分的受力以及后续的结构优化打下基础。在进行静力学分析前，首先需要定义各部件的材料属性和单元类型，其中主动臂、从动臂以及其它一些零部件材料主要为合金钢，通过查机械设计手册得其杨氏模量E=2×1011Pa，密度Dens=7.85×10-6kg/mm3，泊松比μ=0.27。动平台的材料为铝和金，其材料属性为杨氏模量E=7.1× 1010Pa，密度Dens=2.77×10-6kg/mm3，泊松比μ= 0.33。将建好的机械手三维数字化模型，按照实际情况用运动副连接好后，导入Pro/Mechanica模块中，定义其约束面、材料属性以及初始受力大小等相关参数后，对其进行分析求解，得到如图8所示的机械手模型静力学分析结果。

图8 机械手静力分析结果

通过图8分析可知，当并联机械臂受到垂直与动平台压力时，疲劳效应发生在连接主动臂电机输出轴以及主动臂与从动臂连接处，即图中红色加亮部分为易发生疲劳破坏处。

5.2 机械手模态分析

模态分析是为了分析机械手的固有频率，以使设计的时候能够尽可能避开这些频率，以免引起机械手共振所造成的振动和噪音。这里利用Pro/Mechanica的模态分析功能对从动臂杆直径φ13、φ15、φ17分别进行前4阶的模态分析。得到的分析结果如图9～图11所示。

图9 从动臂直径φ13分析结果图

图10 从动臂直径φ15分析结果图

图11 从动臂直径φ17分析结果图

将分析结果进行整理，得到表2所示的从动杆不同直径（φ13、φ15、φ17）的前四阶固有频率表。

通过表2与上述模态分析可知，从动臂截面直径参数是并联机械臂整体动态性能关键因素，从动臂的直径越大其频率一阶频率越低。直径φ17相对于直径φ13和直径φ15的频率较低，而在其他阶次下，相差不大。这里，为了综合考虑机械手的整体质量以及提高其整体机械性能，选择从动臂截面直径φ15mm为本机械手设计尺寸。

6 结论

并联机械手相对串联机械手在一些工作空间相对有限而对精度和刚度以及速度要求较高的领域，具有较大的优势。本论文在前人研究的基础上，设计研究了一个用来抓取圆柱体物体的并联机械手，利用Pro/Engineer的Pro/Mechanism模块和Pro/Mechanica模块，对机械手的运动学仿真、静力学和模态分析进行了研究，得到了满意的结果。

［1］张立杰.两自由度并联机器人的性能分析及尺寸优化［D］.秦皇岛；燕山大学，2006

［2］E F Fitcher.A Stewart Platform-Based Manipulator；General Theory and Practical Construction［J］.Int.J.Rbotics Research，1986，5（2）；157-182.

［3］唐和平.一种两自由度并联机械手教学演示平台数控系统的研究与开发［D］.天津；天津大学，2007.

［4］张利敏.一种三平动高速并联机械手设计方法研究［D］.天津；天津大学，2008.

［5］邓娜，陈艳红.专用深孔镗床上下料机械手PLC控制系统设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（9）；77-79.

［6］曾文萱，范圣耀，王学良.磨齿机自动上下料机械手控制系统研究与开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（11）；71-74.

［7］葛甜，李春梅，冯虎田，等.盘式刀库及机械手可靠性增长试验方法研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（11）；12-14.

［8］金渊源，冯虎田，李春梅，等.链式刀库及机械手早期故障筛选试验及分析方法［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（12）；72-75.

［9］李加明，陶卫军，冯虎田，等.链式刀库及机械手可靠性试验台设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（10）；103-109.

［10］李小霞，汪木兰，刘坤，等.基于五次B样条的机械手关节空间平滑轨迹规划［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（8）；39-42.

［11］崔龙飞，张龙，孟庆爱.齿轮精整机械手轨迹规划与运动仿真研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（8）；43-46.

［12］史步海，苏炳恩.基于EtherCAT总线的六轴关节型机械手研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（5）；16-18.

［13］熊毅，玉振明，陈炳忠.基于DSP宝石加工机械手控制系统设计与实现［J］.组合机床与自动化加工技术，2011（8）；56-59.

［14］梅江平，王攀峰，倪雁冰.二平动自由度高速并联机械手位置控制［J］.组合机床与自动化加工技术，2004（4）；7-10.

［15］张善青，倪雁冰，宗升发.高速并联机械手轨迹规划及数值仿真［J］.组合机床与自动化加工技术，2007（8）；37-39.

［16］二代龙震工作室.Pro/MECHANICA Wildfire5.0结构/热力分析［M］.北京；清华大学出版社，2011.

（编辑 李秀敏）

Structural Design and Research of Parallel Manipulator

DENG Xiao-lin，LIANG Yi-yu，SHEN Zhu-lin
（School of Mechanical&Material Engineering，Wuzhou University，Wuzhou Guangxi543002，China）

；Based on the explanations of the current manipulator design，the technical parameters of the designed three-DOF parallel manipulator are determined，and the overall structure of three-DOF parallel manipulator is designed.According to operation requirements of the manipulator，the trajectory of the manipulator is planned and optimized.Utilize the simulation function of Pro/Mechanism in Pro/Engineer to carry out motion simulation analysis of the manipulator.Finally apply Pro/Mechanica module in Pro/Engineer to make static and modal analysis of the manipulator，which achieves satisfactory results.

；parallel manipulator；three-DOF；static analysis；modal analysis

TH122；TG659

A

1001-2265（2015）05-0017-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.005

2014-08-28；

2014-10-05

广西自然科学基金项目（2014 jjBA60066）；广西高校科学技术研究项目（2013YB226）；梧州市科学研究与技术开发项目（2014A05003）；梧州学院重点科研项目（2013B004、2012B006、2012B008）

邓小林（1984—），男，湖南永州人，梧州学院讲师，研究方向为产品数字化设计、虚拟样机技术、产品结构优化设计，（E-mail）dengxiaolin3@163.com。