附加轴式机械手的开发设计与分析

郑秀宏 黄高祥 施天宇 杨焕 詹晖

摘要：以一种附加轴式新型机械手装置为研究对象，主要用于物料快速抓取。新型机械手安装在工业机器人末端执行器法兰盘上，具有模块化强、安装便捷、动作灵敏、小空间活动自由度高等优点。通过对机械手关键部件旋转臂、连接座结构的开发设计与分析，找到轻量化目标部位，进行轻量化结构改进设计，进一步稳固整机在最大水平位姿的动态性能。所提出的机械手开发设计与分析思路，可以为工业机器人的产业化应用提供有效参考。

关键词：机械手;轻量化设计;结构改进

中图分类号：TP241.2文献标志码：A文章编号：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

工業机器人由机械本体、减速机、电机、伺服驱动系统、传感器构成等，具备在三维空间完成指令控制自动作业的能力。机器人技术整合了机械、计算机、传感器、人工智能、控制等多学科技术，涉及的领域广泛[1-2]。

机械手作为机器人的重要结构之一，具有焊接、喷涂、搬运及物料的抓取等多个用途，使得传统的纯人工操作方式被逐渐替代。特别在一些恶劣的生产环境中（如喷涂车间、焊接车间、注塑车间等），机械手的应用可很大程度地减少人员作业带来的伤害[3]。根据抓取目标的特征，机械手具有多种结构细节形式，其转动、复合动作的实现由上级运动机构（工业机器人末端执行器法兰盘）驱动实现[4]。目前，通用机械手技术受到国内外的重视，研究氛围活跃，相关品种的产品在不断增加[5]，而在发展方面，国内与国外发达国家的机械手对比，仍有一定程度的差距[6]。现有机械手通常直接安装于法兰，当需要在空间狭窄的场合工作时，机械手容易和其他结构干涉碰撞，易造成机械手的损坏。另外，现有的机械手用于物料抓取时，物料抓取效率不高，机器人的灵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种附加轴式新型机械手装置为研究对象，安装在一款负载3 kg 、工作范围580 mm 的工业机器人上，要求抓取目标最大质量为0.5 kg 。通过对机械手作结构相关的开发设计与分析，旨在为工业机器人的产业化工程应用提供相关参考。

1 开发设计

新型机械手装置安装在6轴工业机器人的末端执行法兰盘上，整体布局方案如图1所示。新型机械手装置主要由旋转臂、真空吸盘组、伺服电机、减速机、连接座等5大部件组成，如图2所示。与常规方案不同的是，通过机械手的伺服电机+减速机组合，为工业机器人增加了1个附加轴，大大增加了其动作的灵活性，同时空间的协作性得到很大提升，小空间作业优势明显。

整个机械手装置由机器人末端法兰连接座通过定位环、内六角螺丝固定在机器人的末端执行法兰盘上，整体随机器人第6轴进行旋转运动，安装便捷，模块性强;伺服电机+减速机组合安装在机械手连接座部件上;旋转臂结构通过螺纹孔与电机、减速机组合连接，进行动力传递;真空吸盘组通过螺纹连接在旋转臂底部法兰盘上，管路、线路通过执行模块的中空结构进行固定，减少缠绕。

与机械手连接的工业机器人呈串联6关节形式，此类构型的机器人在水平位姿状态动态性能最差[7]。为保障机械手在水平极限位姿（图3）工作时，具备良好的动态性能，避免气管、线缆在机械手运动过程中对负载的动态影响，达到定位精准、运行稳定、响应快速、动作灵活的效果，根据设计经验，一般将安全系数设置为不低于2，即实际总负载（机械手质量+抓取目标质量）不超过1.5 kg。

随着科学工程技术的快速发展，机器人的关节式部件朝着轻质、柔性、安全、高精度的方向在发展[8]。然而，机械手的稳定性还有较大的进步空间[9]。其中，关键部件的质量过大是影响整体稳定性的一个不容忽视的因素。标准件质量方面，安装在机械手连接座部件上的伺服电机质量约0.3 kg ，减速机质量约0.4 kg;安装在旋转臂上的真空吸盘组质量约0.05 kg 。经分析，标准件总质量约0.75 kg ，抓取目标最大质量0.5 kg ，则要求非标件连接座、旋转臂在满足工况的情况下，总质量控制在0.25 kg内。故机械手在满足使用要求的情况下，需进行轻量化设计，同时对轻量化后的改进结构模型进行校核，以保障轻量化的有效性、可行性[10]。

2 轻量化设计

旋转臂、连接座使用密度为密度2700 kg/m3的铝合金材料，原设计模型的体积、质量参数如表1所示。由表可知，原模型的连接座、旋转臂总质量为0.44 kg，比目标质量超出了0.19 kg 。接下来，需要在满足加工工艺要求及材料强度的情况下，对这两个部件进行轻量化设计。

2.1 旋转臂轻量化设计

模型导入：将旋转臂模型保存为通用格式x_t，导入有限元分析软件中。

材料设置：设置旋转臂部件材料为铝合金，密度2700 kg/m3，材料屈服极限28 MPa ，泊松比0.33，杨氏模量68.9 GPa。

网格划分：对模型进行网格划分设置，采用自由网格形式，以寻求运算精度和计算机性能间的平衡。

施加约束：旋转臂通过法兰凸台固定在减速机上，故在凸台沉头孔处施加固定约束，如图4所示。

添加载荷：真空吸盘组通过螺纹连接在旋转臂底部法兰盘上，在工作过程中，通过吸盘端面抓取目标，故旋转臂的负载为吸盘组质量0.05 kg+抓取目标最大质量0.5 kg ，共计0.55 kg 。即旋转臂的载荷大小为5.39 N ，作用在底部法兰盘通孔上，如图5所示。

求解结果与分析：运行有限元模型，求解的旋转臂有限元等效应力云图结果如图6所示。最大应力发生在底部法兰盘中间通孔边界，最大应力值0.42 MPa ，在材料屈服强度范围内，认为满足结构强度。

通过仿真分析发现，区域1、区域2所受应力值比较小，可见初始设计偏保守，导致这2个区域结构臃肿，有进一步轻量化的空间。结合经验设计及理论分析，认为在满足结构强度的前提下，轻量化方向为：（1） 对旋转臂支撑柱做适当掏空减重处理;（2）减小机械手旋转臂部件支撑柱的厚度;（3）适当掏空底部法兰盘局部位置。

经过多次迭代设计、仿真，最终得到满足结构强度及轻量化要求的旋转臂结构，其有限元等效应力模型云圖如图7所示。经过轻量化迭代设计，旋转臂最大应力发生在支撑柱掏空孔边缘处，最大应力值 1.1 MPa，未超出材料屈服强度，满足结构强度要求;旋转臂体积由 93 931.6 mm3 减小为38 553.7 mm3 ，质量由0.25 kg降低为 0.1 kg。

2.2 连接座轻量化设计

同理，将连接座模型导入有限元分析软件中，设置为铝合金材料，材料属性和旋转臂一致，网格智能划分。施加约束：连接座通过其顶部法兰盘固定在工业机器人末端法兰盘上，故在与机器人连接的连接座顶部法兰盘施加固定约束，如图8所示。

添加载荷：电机+减速机组直接固定在连接座侧面法兰盘上，旋转臂固定在减速机一端，吸盘组固定在旋转臂，故连接座的负载为：电机质量 0.3 kg+减速机质量 0.4 kg+旋转臂轻量化后的质量 0.1 kg+吸盘组质量 0.05 kg+抓取目标最大质量0.5 kg，共计1.35 kg。即连接座的最大载荷大小为 13.23 N，作用在底部法兰盘通孔上，力的方向如图9所示。

求解结果与分析：设置完成，对模型进行有限元求解，图10所示为连接座有限元等效应力云图结果，最大应力发生在侧面法兰盘处，应力值为0.71 MPa，在材料屈服强度范围内，认为满足结构强度。

仿真分析发现，因初始设计偏保守，该区域结构臃肿，受应力值较小，可对此处做适当掏空减重轻量化处理。轻量化处理后的连接座有限元等效应力模型云图如图11所示，最大应力值及发生位置不变，体积由69613.3 mm3 减小为46417.3 mm3，质量由0.19 kg降低为0.13 kg。

2.3 结果分析

旋转臂、连接座结构改进的目标函数为减轻重量;设计变量为在结构强度大的地方适当掏空体积;约束条件为允许28 MPa的最大应力。通过先后对旋转臂、连接座进行有限元静力学分析，找到结构所受应力较小部位，作为轻量化重点对象。通过结构迭代设计、对改进模型的有限元静力学分析求解，来校核模型的体积、质量、应力参数，直至完成轻量化设计。

轻量化前后，旋转臂、连接座的掏空体积、最大应力、质量、减重值对比结果如表2所示。由表可知，旋转臂进行轻量化结构改进后，改进模型在满足材料许用应力的前提下，轻量化效果明显，由 0.25 kg 减重为 0.1 kg，质量减小了0.15 kg （60%）;连接座进行轻量化结构改进后，改进模型在满足材料许用应力的前提下，由0.19 kg减重为0.13 kg，质量减小了0.06 kg（31.6%）。

3 结束语

附加轴式机械手，区别于常规机械手布局，通过机械手内置伺服电机+减速机组合，构成一个附加轴式抓取模块，直接安装在工业机器人末端法兰盘上，具备模块化、便捷安装等优势。同时，多了1个运动轴的工业机器人，动作的灵活性、空间的协作能力提升明显，小空间作业优势尤其明显。然而，附加轴式机械手因比常规机械手结构多了伺服电机、减速机，整机的动态性能无形中受到了影响，特别是最大水平位姿的动态性能，故为保障其动态性能的稳定性，需要对机械手关键部件进行轻量化处理。

通过对关键部件旋转臂、连接座的有限元静力学分析求解，找到轻量化目标部位，经过结构迭代设计，多次校核，结合改进前后的参数变化，结果表明该方法有效可行。本文为机械手关键部件的设计、结构参数轻量化分析及改进提供了一种较为有效的参考。

参考文献：

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[9] 吴宗泽，罗胜国.机械设计课程设计手册[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.

第一作者简介：郑秀宏（1989-），男，广东人，硕士研究生，工程师，研究领域为产品、装备结构设计制造及有限元分析，已发表论文6篇。（编辑：王智圣）