两臂三关节机械手臂的系统设计与有限元分析

机械手臂论文研究热点范文8篇之第三篇：两臂三关节机械手臂的系统设计与有限元分析

　　摘要：本文设计了一种两臂三关节机械手臂， 该机械手臂能实现大臂的上下摆动， 小臂弯曲以及手部转动， 并且整个手臂可以随支撑系统实现旋转运动， 支撑部分底部装有轮子， 整个系统可以自由移动。

　　关键词：机械手臂； 系统设计； 三维建模； 有限元分析；

　　1 前言

　　机械手臂主要分为两大类， 一类是工业夹持器；另一类是仿生灵巧手。工业夹持器主要是针对特定的需要夹持的对象而设计的， 例如需要夹持某个球形物体， 那么机械手臂与物体的接触表面也将会被设计成弧形的。仿生灵巧手主要是仿真人手的功能以及结构而进行设计的， 关节数以及具有的自由度数基本是相同的。

　　基于两种类型机械手臂的局限性， 如果可以开发一种操控相对简单， 承受载荷相对较大， 而且使用范围又相对广泛， 不局限于某个领域， 或某种场合的新型的可拆卸式机械手臂， 那它的前景将是无法估量的。

　　2 两臂三关节机械手臂系统设计与部件选用

　　2.1 机械手臂系统组成、布局及方案设计

　　两臂三关节机械手臂主要由大臂， 小臂， 手部及支撑部分组成， 该手臂是模仿人体手臂特点设计的， 能实现大臂的上下摆动， 小臂弯曲以及手部转动， 并且整个手臂可以随支撑系统实现旋转运动， 支撑部分底部装有轮子， 整个系统可以自由移动。

　　2.2 油缸选用

　　手部油缸要根据所抓取物体尺寸外形及重量确定， 其行程确保提供足够的夹紧力同时张开的角度要足够大。设定机械手臂夹紧工件最大重量为5kg, 当夹臂角度为0度时夹紧力最大， 此时油缸所提供的动力也最大， 故以此为极限位置， 校核油缸是否符合要求。经校核， 该液压缸的公称压力符合要求， 油缸行程为18mm.

　　2.3 齿轮组的确定

　　根据设计要求， 该齿轮组为整个手臂旋转提供动力， 过程中受摩擦力非常小， 而且转速较慢， 所以对强度要求非常小， 但是由于齿轮尺寸较小仍需校核。

　　齿轮组设计过程： （1） 选取材料， 大小齿轮均取45钢， 小齿轮调质， 大齿轮正火处理。 （2） 精度等级选8级精度， 按GB/T10095. （3） 选取齿数， 初选小齿轮齿数z1=36, 大齿轮齿数z2=uz1=72. （4） 根据机械设计查表6-1取模数m=1.25mm. （5） 根据箱体大小和传动比得中心距为a=67.5mm, 由计算可得大小齿轮的分度圆直径分别为d1=45mm, d2=90mm.

　　3 两臂三关节机械手臂三维设计与有限元分析

　　3.1 两臂三关节机械手臂三维设计

　　3.1.1 手部三维设计

　　手部是整个机械手臂最为复杂精细的部分， 最主要的执行原件。机械手臂设计的重要指标就是夹持的稳定性要求， 机械手臂能够输出足够的夹紧力， 并且在操作过程中始终能够平衡目标物体所受外力， 防止物体掉落。本文选用面接触式， 增大接触面积以防止目标物体被夹变形。

　　3.1.2 手臂三维设计

　　两臂三关节机器人手臂机构是模仿人的手臂设计的， 这种机构有肩、肘、腕三个关节自由度， 有大臂、小臂两根连杆以及一个机械手组成， 整个模块可以固定在移动支撑系统上进行移动。小臂的主要作用是连接大臂和手两个部分， 两端各有一个关节， 控制机械手臂腕部关节转动的活塞安装在小臂上。大臂的主要作用是连接小臂与肩部， 也包括两个转动的关节， 控制小臂关节转动的活塞安装在大臂上。手臂是模仿人体手臂特点设计的， 能实现大臂的上下摆动， 小臂弯曲以及手部转动， 并且整个手臂可以随支撑系统实现旋转运动， 支撑部分底部装有轮子， 整个系统可以自由移动。

　　3.1.3 支承部分三维设计

　　用于整个手臂旋转的实现。由于支撑部位往往体积较大， 而且要求重量较大， 所以我们选用类似主轴箱体的结构， 在其内部安装齿轮以及微型电机， 在驱动大臂转动以实现整个结构的回转运动的同时能够较好的密封。为实现整个箱体的运动， 在其底部安装滚轮， 两侧安装制动和稳定装置， 因为速度很小， 所以就采用摩擦制动。

　　3.2 两臂三关节机械手臂有限元分析

　　3.2.1 静力分析

　　机械手臂的旋转支撑件和伸缩支撑件是机械手臂的危险部件， 因此需要对危险件进行应力分析， 这两个件的材料为6061铝合金。本文在ANSYS Workbench中对上述危险件进行分析， 首先将危险件的三维模型导入ANSYS Workbench中， 然后施加约束和载荷， 最后分析查看结果。

　　机械手臂的旋转支撑件受力在机械手臂伸长时是极限位置， 经计算丝杠导轨上总力为48N, 下方电机为5.3N.为使旋转支撑件安全可靠， 以收转伸长方向为正方向， 假设48N的力作用在机械手臂伸长时， 手爪的中心位置， 离旋转支撑件最前端距离190mm.5.3N力作用在电机中心， 离旋转支撑件最前端距离-40mm.

　　3.2.2 模态分析

　　机械手臂在使用过程中会发生振动， 因此， 对机械手臂进行整机的模态分析是十分必要的， 可以在使用时尽量避开器械本身的固有频率， 本文采用的有限元分析软件为Ansys12.0, 在workbench界面导入机械手臂的三维模型并进行分析。

　　4 液压系统设计

　　本文设计的机械手臂的动力源自液压系统， 需要对液压系统进行原理设计， 对液压元件进行选用并对液压系统进行强度校核。

　　4.1 液压元件的计算

　　（1） 液压缸内径。取液压缸负载为P=231.853KN, 代入数据得D=186.4mm, 参考液压缸系列尺寸取D=200mm. （2） 缸筒壁厚。经计算选用缸筒壁厚为225mm, 强度校核合格。 （3） 活塞杆。经计算选用活塞杆直径为150mm, 强度校核合格。 （4） 液压缸的工作压力。在不考虑能量损耗的情况下， 提高系统的工作压力就可减少系统中通过液压元件的流量， 从而减小相应各液压元件以及整个液压系统的结构尺寸和质量。液压系统的工作压力取28MPa.

　　4.2 液压元件的选择

　　（1） 液压缸的选择。液压缸在液压系统中有着重要的地位， 根据计算， 液压缸材料为ZG330-450的内径为100mm壁厚为21mm的液压缸。

　　（2） 液压泵的选择。为了经济考虑， 选择液压泵的额定压力为35Mpa的液压泵。型号为：2ZBZ140的液压泵。

　　本文主要完成了机械手臂的系统设计布局及方案设计， 主要包括机械手臂手部、机械手臂腕部、机械手臂部以及机械手臂的驱动方式， 并对设计的机械手臂三维模型进行了有限元分析。此外， 本文设计的机械手臂具有以下几个创新点：

　　（1） 机械手臂的整体结构采用了模块化的设计方式， 末端执行器可以根据应用场合的不同进行更换， 克服了以往机械手臂应用的限制性。

　　（2） 各个关节的旋转运动采用液压系统进行控制， 相比电机控制更具有可靠性， 运行平稳；机械手臂的底座的移动依靠电动机的驱动实现， 移动速度较快。

　　参考文献
　　[1]郭峰。机器人仿真系统设计[D].南昌：南昌大学， 2013.
　　[2] 林冠楠。移动机械手臂跟踪控制与运动规划研究[D].上海：上海交通大学， 2012.