遥控维护主从机械手动力学分析

廖梓龙

(东莞理工学院 机械工程学院，广东东莞 523808)

遥控维护的工作是在有辐射的环境下进行的，考虑到应用环境的特点，传统的以人手直接操作的维护方式，难于满足高能物理大科学装置维护工作的要求。它主要是指采用机械人 (手)或专门的自动化装备在大科学装置中进行设备检修、放射性废料处置等维护和日常监测工作，降低维护人员受辐射量以及劳动强度，提高了设备维护的水平［1］。当前，遥控维护技术已广泛应用于国际热核聚变实验堆计划等多个大科学装置，成为这些大科学装置中辐射部件维护不可或缺的重要工具。

由于主从式机器人 (手)支持非结构化环境下工作［2］，因此主从机械手在核电站的热室维护中也得到应用。有鉴于此，国际标准化组织认为主从机械手性能能够满足热室维护工作可靠性的需求，并其标准《放射性物质用遥控装卸设备．第2部分:仿效机械手》(ISO 17874－2－2004)中将主从机械手列为热室遥控装卸的标准配置设备，并对机械手的设计和性能提出相应的要求［3］。

动力学分析是主从机械手设计的关键环节，利用利用动力学分析的结果能够校核有限元分析结果的准确性、修改有限元模型，修改后的模型能够准确描述实际结构的特性，为后续的分析及优化提供可靠的基础。

从动力学角度研究面向遥控维护的主从机械手的特性:创建了主从机械手的整机有限元模型，对其进行了整机静力学预分析;继而对其进行了整机的模态分析，计算出了主从机械手的前6阶的固有频率以及相应的振型;通过对主从机械手的模态分析，分析得出主从机械手的薄弱零部件，为结构的优化设计以及参数设计提供参考。

1 遥控维护主从机械手结构设计

所设计的在热室里遥控维护的主从机械手结构如图1所示。主操作手是遥控维护系统的操作端，维护工作者通过操纵主操作手来驱动从操作手以达到相应的动作。主操作手的自由度要求与从操作手的自由度相对应。从操作手是遥控维护系统中执行操纵的部分，它是主从机械手最重要的部分之一。主从操作手动力传递与控制装置的作用是将是采集维护工作人员操作在主操作手上的各种动作，传递给从操作手。

为了实现在热室内任意位姿的遥控维护，从操作手应有6个以上自由度。考虑到从手需要操纵末端执行器的，从操作手的手指需要具有开合的自由度，用于遥控维护工具的夹持。因此满足上述需求的从操作手应有7个或7个以上的自由度。从操作手除了具有七个独立动作外，还有两个电动辅助动作 (即Y向、X向调整动作)，以扩展机械手的可操作区域，满足机械手的动作需求。

主从式机械手目前有同构和异构两种结构形式［4］。主从同构机械手中主手和从手的结构相同，且主手和从手的自由度和对应关系都相同，而异构形式则是两手结构相异。考虑到本论文中主手设计的机构范围和运动轨迹，故采用同构结构形式。为此主手也应有与从手对应的7个自由度，维护工作者通过操纵主操作手来驱动从操作手以达到相应的动作，它能完成的七个独立动作有X向、Y向、Z向、方位旋转、手腕俯仰、手腕扭转和夹钳开闭。它要求具有灵活度高和稳定性强的特点。

图1 主从机械手结构

2 主从机械手动力学分析

2.1 有限元建模

本文研究的主从机械手主要由主动臂、从动臂、横梁、外壳、齿轮、轴、链轮等几部分组成。主从机械手CAD模型在绘图软件Solidworks中建立。为提高分析效率、改善网格划分效果，在进行有限元分析前，需要简化CAD模型中对计算结果影响较小的过渡圆角、倒角和螺纹孔等。简化后的CAD模型通过Solidworks与ANSYS Workbench之间的数据接口导入Workbench中。

主从机械手由多个零件组成，导入Workbench后需要为每个零件指定相应的材质属性，表1列出了检测机各零件选用材料的属性。根据实际边界条件，在主机械手一端添加固定约束。与主从机械手各零件的刚度相比，各零件结合面的刚度较低，对整机性能影响较大，需要选择合适的方法处理结合面的影响。本文分别使用Workbench中的Banded和No Separation接触单元模拟主从机械手螺栓固定结合面和导轨结合面。

表1 材质属性

因为检测机零部件大多形状不规则，所以在网格划分时选择计算精度良好、能较好适应不规则形状的solid－brick 20node95块单元，单元尺寸大小与各零部件具体形状、尺寸相适应。划分完成后共得到70 127个单元，28 528个节点。检测机整机有限元模型如图2所示。

2.2 预分析结果

作为模态分析的辅助分析，静力学分析是十分必要的，静力学分析中各零件所用材料的属性和模态分析完全一致。静力学分析的各零件接触条件以及加载条件、边界条件等等的取法都和模态分析相同。通过静力学分析，初步分析结构刚度以及各部分连接问题，验证加载条件、边界条件的正确性。其中重力加速度取为9.8 N/m2，从机械手加载至其最大抓取载荷70 N，具体加载情况如图3所示。

图2 机械手有限元模型

图3 机械手有限元模型

分析步骤如下:1、设置计算类型为静态分析;2、选择单元类型;3、定义材料参数;4、定义截面;5、生成几何模型;6、划分网格;7、施加约束;8、分析计算;9、结果显示和处理。

图4 从机械手应力云图

从机械手整体应力、应变水平较低，结果显示在从机械手下侧部分应力、应变较其他部分大，在和横梁的结合部位较为危险。

横梁部分的整体应力应变水平较从机械手大1倍左右，从应力云图来看，其容易出现问题的部位为与从机械手相连接的部位。

图5 从机械手应变云图

图6 横梁应力云图

图7 横梁应变云图

主机械手的整体应力应变水平较横梁略大，从应力应变云图来看，中间竖杆与其他部件的连接部分可能会存在应力集中的问题。

2.3 模态分析结果

对主从机械手整体结构有限元模型进行模态分析，可以得到整机的固有频率和振型。检测机是一个具有无穷多自由度的振动系统，存在无穷多阶模态。但只有前几阶固有频率接近外部激励频率，高阶固有频率对系统影响较小［5］。因此这里只分析检测机前六阶模态，模态分析结果见表2，振型如图10所示。

图8 主机械手应力云图

图9 主机械手应变云图

表2 机械手整体模态分析结果

从上述分析结果可以看出，检测机整机第一阶固有频率为7.72 Hz，低于机械手工作频率，但由于制造、装配误差，以及实际工作环境的影响，机械手实际频率会低于计算值。因此，应充分考虑实际情况，适当提高设计余量，避免出现共振。主从机械手的主动臂、从动臂与横梁的连接部位应力较大，动刚度较差，这对主从机械手检测精度、稳定性影响显著。有必要对上述零部件进行结构优化，改善其动态性能。

通过对主从机械手整体所进行的模态分析可知，横梁z方向所对应的一阶振型频率最低，这是我们进行结构设计所应该首要考虑进行优化的地方，其次是横梁x方向以及从机械手的Y方向，可考虑在这些方向对结构的几何尺寸进行一些改动或者添加一些支撑结构来对横梁以及从机械手的整体刚度进行加强，从而增加主从机械手的前6阶固有频率，减小结构产生共振的风险。

3 结语

运用有限元模态分析技术，通过有限元方法对主从机械手进行了模型的力学简化以及整体有限元建模，通过合理的简化以及加载条件，并考虑重力的情况下，对主从机械手进行了整体结果预分析，根据预分析结果对主从机械手进行了模态分析，计算出了主从机械手的前6阶固有频率和相应的振型，通过对主从机械手的模态分析，得到主从机械手的薄弱零部件 (主机械手连接横杆、从机械手与横梁连接件等)，为结构的优化设计以及参数设计提供参考。

［1］Isabel R，Carlo D，Alessandro T，et al．The remote handling systems for ITER［J］．Fusion Engineering and Design，2011，86:471 －477．

［2］宗光华．国外智能机器人机构近期发展热点［J］．机器人情报，1993(6):1－5．

［3］Imaida T，Yokokohji Y，Doi T，et al．Groundspace bilateral teleoperation of ETS－VII robot arm by direct bilateral coupling under 7－s time delay condition［J］．IEEE Trans Robot Autom，2004，20(3):499 –511．

［4］蔡自兴．机器人学［M］．北京:清华大学出版社，2000．

［5］黄红武，赵小青，宓海青，等．基于有限元的超高速平面磨床整机动力学建模及模态分析［J］．湖南大学学报:自然科学版，2005，32(4):39－42．