基于ANSYSWorkbench取物机器人的有限元静态分析

AN S Y S W o rkbench
基于 取物机器人的有限元静态分析
牛晓蓉， 李卫国， 全晓飞， 闫秀芳， 乔秀芸 （内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051）
摘 要：介绍了取物机器人的结构特征；应用 Pr o /E 软件建立实体模型，利用 A NS Y S W o rk bench 有限元分析软件建立
了取物机器人的有限元模型；选取机器人的危险姿态，得到在危险姿态下的应力、应变和位移情况，验证了目前的结构
设计能够满足要求，并且找出薄弱环节，为取物机器人的进一步优化设计提供理论依据。

关键词：机器人；机械结构；有限元静态分析
中图分类号：T P 391
文献标志码：A 文章编号：1002－2333（2014）03－0095－02
0 引 言
工业机器人作为生产自动化设备，已经在现代制造 业中发挥着巨大的作用。

但是近年来随着科学技术的发 展，机器人已远远超出了服务制造业的范围，被广泛地应 用于非制造业领域，在人类生活应用中不断地扩大。

特种 机器人技术主要是指非制造业中的各种先进机器人及其 相关技术［1］，特种机器人是替代人类在危险、恶劣环境下 作业必不可少的工具。

在不适宜人类的工作环境中或者 对于不方便拿取、搬运物品的老年人及残疾人，取物机器 人可以帮助人们完成抓取、转移物品的工作。

本文新设计 一种取物机器人，以其整体机械结构为研究对象，利用 Pr o /E 软件和 ANSYS Wo rkbench 软件，对于处于危险姿 态下的机器人进行了有限元静态分析，以获得其薄弱环 节，为取物机器人的进一步优化设计提供理论数据。

1 机器人的机械机构设计方案
本文所研究的取物机器人设计目的是用于抓取、转 移物品的取物机器人。

机械结构主要由底盘、帄行架、夹 手、套筒、伸缩臂、支架等组成，其结构如图 1 所示。

伸缩臂
套筒
支架
夹手
帄行架
拉动帄行架收回直立。

机器人夹取物品的受力情况与机
器人未夹取物品的受力情况不同，为了确保安全及放置 物品位置的准确性，需要研究机器人夹取物品后机器人 整体的应力、应变和位移情况，找出薄弱环节，为机器人 的进一步优化设计提供理论数据。

2 有限元模型的建立
有限元分析是为了检验机器人的机械结构设计是否 满足强度及刚度要求，暂时不考虑机器人的控制，因此只 对机器人进行有限元静态分析。

把 Pr o /E 与 ANSYS 结合使用，利用 Pr o /E 建模快速、 准确建模的特长，可以解决 ANSYS 建模能力不足的问 题。

首先利用 Pr o /E 软件建立了机器人的机械结构三维实 体模型；然后通过软件之间的数据交换接口将三维实体 模型导入到 ANSYS Wo rkbench 中。

在 ANSYS Wo rkbench 软件进行分析时，必须对模型 进行必要的简化，简化成可以分析的模型。

因为三维实体 模型包含的零部件较多，比较复杂。

如果零件不经简化就 全部直接导入 ANSYS Wo rkbench 中进行计算，会增加计 算机的计算量并影响计算精度。

在保证模型的结构整体 质量以及质量分布的前提下，以及在综合考虑机器人机 械结构的几何特性与力学性能之后，对整体影响不明显 的倒角、圆角、工艺孔等结构进行简化。

另外，与销轴采用 过盈配合的零件，在 ANSYS W o rkbench 中进行 fo r m a ne w part 处理，使其成为一个整体部件；采用螺纹进行固 定连接的零件同样进行 fo r m a ne w part 处理。

除此之外， 由于夹手部分包含多个气缸，结构较为复杂，如果将夹手 导 入 有 限 元 由图 1 可见，机器人的支架与底盘是焊接连接，帄行 架下端与底盘铰接，伸缩臂与套筒连接，套筒则与帄行架 铰接。

套筒、帄行架和底盘构成了一个帄行四边形，利用 帄行四边形中连杆与机架始终帄行的特点，可以保证在 运动过程中被抓取物体的帄稳。

另外，伸缩臂与套筒之间 可相对运动实现夹手伸缩量的微调。

支架与帄行架之间 由钢丝绳连接，通过固定在支架上的电动机带动钢丝绳 进 行 计 算 夹 手 的 有 限 元 模 型 的 网 格 划 分 将 会 变 得 非 常 复 杂 ， 并 且 延 长 计 算 机 的 运 算 时 间 和
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制造业信息化
MA NUF ACT URI NG INFO RM ATI ZA TIO N
仿真 / 建模 / CAD / CAM / CAE / CAPP
影响计算精度，因此，用远端载荷代替夹手的自重和物体 重力，这个力将作用于夹手与伸缩臂的连接处。

简化后的
模型如图 2 所示。

由图 5、图 6 可以看出，最大应力、变形发生在伸缩臂与 套筒前端的连接处，最大节点等效变形为 3.585 8E -5 mm ， 最大节点等效应力为 2.515 4 MPa ，远远小于材料的屈服 表 1 机器人材料属性
在 ANSYS Workb en ch 中 进 极 限 120 MPa 材料属性 密度（/ kg ·m -3） 弹性模量/GPa
泊松比
数值
2770 71 0.33
行有限元分析之前，首先需要选 定材料。

机器人的底盘、支架和伸 缩臂等均采用铝合金材料，其材 料属性如表 1 所示。

选择这样的
强 度 满 足 设 计要求。

同时也可以 确 定 伸 缩 臂与 套 筒 前 段 的材料因为密度小，且可根据实际需要调整在上面安装的 机构的位置。

根据前面对机器人机械结构的介绍可知，在进行静 态分析之前需要在底盘上添加固定约束模拟机器人不行 走时的情况。

用弹簧代替钢丝绳以实现对帄行架的拉动 作用。

另外，对于其他相对运动关系的关节，根据实际情 况均采用 Revolute 连接。

网格的划分对有限元静态分析 来说是一项很重要的工作，将对分析结果产生重要的影 响。

机器人的有限元网格划分的最终效果如图 3 所示，共 计 7 527 单元，39 162 节点。

连 接 处 是 薄 弱环节，需要进一步 的 优 化 和 改进。

由图 7 可以看出，取物机器人 处 于 危 险 姿态 ， 并 且 在 伸缩 臂 前 端 施 加10 N 的 力 后 最 大 位 移 发 生在 伸 缩 臂 的 前端 ， 其 值 为0.122 4 mm ，经试验验证，该 足设计要求。

4 结 论
当 机 器 人
在确定取物机器人的设计方案后，利用 Pro/E 软件对 取物机器人机械结构进行了实体建模，并且通过 ANSYS Workb en ch 软件对其进行了有限元静态分析，得到了机 器人的应力、应变和位移图，分析结果表明，在研究过程 中所设计的强度与刚度都满足了设计要求，并找到了薄 弱环节，为机器人的进一步优化和改进提供了理论依据。

分析结果
的帄行架前倾 到最远的位置 且伸缩臂向前 伸 至 最 远 时 ， 机器人处于最 危 险 的 姿 态 ， 如 图 4 所 示 。

因此选择研究 该 姿 态 在 重 力、负载作用 下 的 应 力 、应 变 和 位 移 情 况，进而找到 机器人的薄弱 环节。

3 有限元静态
此次设计的取物机器人可以用在不适宜人类的工作环境 中，或者帮助不方便拿取、搬运物品的老年人及残疾人完 成拿取、转移物品的工作。

特种机器人在农业、食品加工、 建筑、医疗、服务和娱乐等领域发挥着重要的作用，具有 着广阔的市场前景。

取物机器人的研究也会为人们的生 活提供方便与快捷，对人类社会的发展产生影响。

［参考文献］ ［1］ 王树国，付宜利.我国特种机器人发展战略思考［J ］.自动化学
报，2002，28（增刊 1）：70-76. ［2］ 曾攀.有限元分析及应用［M ］.北京：清华大学出版社，2004. ［3］ 马睿，胡晓兵，万晓东.基于 ANS YS 的小型机器人小臂的有限
元静态分析［J ］.机械设计与制造，2012（9）：4-6.
［4］ 杨志敏，周健，李立君，等.基于 ANS YS Workb en c h 的采摘机器
人臂架模态分析［J ］.农机化研究，2013（12）：56-58.
［5］ 高耀东，李强，张宝玉，等.ANS YS 机械工程应用精华 60 例［M ］.
北京：电子工业出版社，2012.
（编辑 浩 然）
作者简介：牛晓蓉（1989—），女，硕士研究生，主要研究方向为机器人；
利用 ANSYS Work b en ch 计算得到处于危险姿态时 机器人的应力、应变和位移云图如图 5～图 7 所示。

李卫国（1967—），男，副教授，主要研究方向为机械工程。

收稿日期：2014-01-07
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