服务机器人轻量化手臂的优化设计李桂琴王燕徐新虎金国军李明何斌上海大学上海市机械工程与机器人重点实验室上海200072摘要：针对服务机器人手臂轻量化要求，设计一种新型的5自由度服务机器人手臂，并用CAD／CAE软件完成从建模到分析的全过程。
结合实际使用要求，设计采用了5自由度的关节型机器人结构方案；根据选用的电机和减速器进行UG参数化建模；并在此基础上，运用HyperWorks分析了该机器人手臂关节连接件的强度和刚度，并得到了拓扑优化方案。
在方案设计阶段对设计进行分析和验证，得到很好效果，并做出实验样机。
关键词：轻量化，有限元分析，拓扑优化，HyperWorks1 引言机器人是机械、传感器、计算机、通信和自动控制等多项技术集成的机电一体化产品。
目前，世界各国在机器人研究方面有一个共同的趋势：那就是把机器人产业由工业机器人向服务机器人推进，力争使机器人更多地融入家庭和人们的生活。
在服务型机器人领域，轻量化设计扮演了一个非常重要的角色。
这些机器人系统通常工作在人类的生活环境中，比如厨房和病房等。
与传统的工业机器人被限定在一个工作空间里相比，它需要与人协同来完成工作，因此轻量化设计在多个方面便体现出其优势。
例如，轻型的手臂发生碰撞时比质量大的手臂会造成较小的危害。
另外，轻量化的另一结果就是能够提高能量效率，减少机器人执行任务时能量的消耗。
对于依靠自身有限能源来维持日常工作的服务机器人而言，能量效率的问题对其显得尤为重要。
一般而言，设计这类轻量化手臂需要用机电一体化的思想，并使其具有质量轻、载重比大、体积小、控制灵活、通用性好的特点。
轻量化结构手臂样机需要具有自身动作功能，并具有与机器人本体集成后完成相应功能的能力。
目前一般机器人手臂采用常规的与工业机器人相似的结构形式，但从机器人的功能要求及其扩展需求来看，如何对其结构进行优化，实现轻量化是一个重要的研究课题，这里主要进行手臂结构的轻量化技术研究，采用5个手臂自由度，手部抓重2KG。
2 自由度轻量化手臂研究设计的机械手臂采用模块化的轻型旋转关节，使服务机器人手臂动作灵活、运动惯性小，能安全、平稳、高效地执行服务动作。
总体布局与示意如图1所示：图1 轻型机器人手臂轻型机器人手臂由底座（1）、关节（2）、连接板（3）、关节（4）、连接板（5）、关节（6）、连接板（7）、关节（8）、连接板(9)、关节(10)串联连接而成。
轻量化、模块化关节（2、4、6、8、10）的应用使轻型手臂具有结构简单紧凑美观、安全性好、布线方便等特性，能灵活、平稳、高效地执行服务动作。
轻型关节驱动单元图2轻型关节驱动单元的连接板、箱体示意轻型旋转关节（图2）包括减速器（11）、法兰（12）、电机（13）、箱体（14）和编码器（15）等几个部分。
减速机构与法兰连接，减速机构与电机串联连接，箱体与法兰连接，并将电机封装在箱体内部，箱体外端与编码器连接，构成一个半封闭整体，具有模块化程度高，性能安全稳定等特点。
另外独特的箱体设计，保证了关节布线方便，拆装容易，安全性高。
法兰主要依据减速器的参数进行设计。
通过选用硬铝作为法兰的制造材料，保证了法兰的轻量化及高轻度特性。
箱体主要依据电机的半径及长度等参数进行设计。
其特征在于：①选用了硬铝作为箱体（14）的制造材料，满足了箱体的轻量化及安全性要求；②在箱体上设计了大通孔（16）和小通孔（17），保证关节布线方便的同时也减轻了箱体重量；③箱体与电机之间仅留有2mm的间隙，既保证了关节结构紧凑、同时实现了箱体内部空间最大化利用。
编码器连接在箱体的外端，这种设计与传统的编码器直接与电机相连方式相比，大大减小箱体所需长度及半径，从而减轻了关节重量，减小了整个关节的惯性矩，使关节的运动更平稳。
选用的电机外观成盘状，同时通过相应传动机构的设计和选用，可以在满足设计条件的情况下有效地减小关节的长度。
电机伸出端直径（4mm）较小，而且与减速器的连接孔直径不匹配，无法采用一般键连接的方式。
故在结构上选择了径向4个均布的加紧定螺钉的联结固定方式。
各关节加上壳体后为圆柱形并且关节与关节交错相连串联成5自由度机器人，为了减小联结的空间，采用了L型板材连接。
既达到了美观简单连接的目的，又在结构上减轻了整个机械臂的重量。
3 手臂机械结构关键零件分析为了确保轻量化和手臂强度刚性要求，对手臂中的关键零件——连接板进行了结构的校核与优化。
3.1工具的选择在三维CAD实体模型的基础上，这里采用Altair HyperMesh CAE软件为分析工具。
Altair HyperMesh作为杰出的有限元分析前后处理平台，拥有全面的CAD和CAE求解器接口、强大的几何清理功能和网格划分功能。
3.2手臂连接部件的受力分析过程用Hypermesh进行分析的过程通常需要经过以下几个步骤来完成。
（1）建立有限元模型：采用高效的有限元前处理器HyperMesh 建立各种复杂模型的有限元模型。
首先，将在UG中生成的三维模型导入至HyperMesh中，对其划分3D网格后即可建立起有限元模型，如图3所示。
图3 在HyperMesh中建立的有限元模型（2）在模型上施加约束和载荷：在HyperMesh 中完成对有限元模型的约束和载荷的施加。
约束的施加：如图4所示，在连接部件中一个连接电机的面板上添加约束，将该面板上与电机相配合的螺纹孔所在的圆周完全约束。
载荷的施加：在另一面板与电机相配合的螺纹孔所在的圆周沿z方向添加载荷。
将图3中所示的一块面板固定后实际上另一块面板承受的为后面的物体对其施加的转矩，根据对手臂负载及转矩的大致计算，并转化为图4中水平面板的承受的载荷力，可将载荷设为70N。
图4 将约束和载荷添加到有限元模型（3）运行分析程序，显示结果。
计算机完成分析后，运用HyperMesh 提供的后处理工具HyperView可以直接查看云图。
图5 CAE分析的应力应变结果图4 关键连接部件有限元拓扑优化为了验证连接装置的刚度及是否需要布置筋板，对结构作了有限元拓扑优化分析及刚度分析，为了进行对比，对整体式连接方案进行分析对比(见图6)，可以看到虽然强度满足要求，但是第3、4关节间的最大变形已经达到0.02237mm，那么第1、2关节处会更大，累积变形超出要求。
而且这个结构为了加强结构采用的侧筋板阻挡了多个电机螺钉孔的连接位置，会很大地影响装配的连接强度。
图6 原始方案强度与刚度分析结果图另一种简单联接的整体式结构分析结果如图7所示，不同方向变形分别达到0.000182mm和0.000786mm，也不能满足设计要求。
图7 不同方向极限载荷时第3、4关节间连接板刚度分析图为了得到满足刚度与强度的方案，采用有限元分析方法确定各关节间连接板的最小化厚度，并采用拓扑优化方法得到轻量化拓扑结构及走线方式可采用的孔位置尺寸等（图8）。
根据计算分析结果，考虑加工工艺成本等，选取最后设计方案。
(a)整体式连接拓扑优化(b)分离式连接结构 (c)分离式连接拓扑优化图8 连接部件拓扑优化结果最后得到服务机器人手臂模型及实物样机，图9为轻量化结构手臂总成的CAD模型，图10 为轻量化结构手臂总成实物样机。
图9轻量化结构手臂总成CAD模型图10 轻量化结构手臂总成实物5 总结设计了一种新型的5自由度服务机器人手臂。
所作的工作包括：综合分析几种服务机器人手臂的关节连接方案，实现小型轻量化手臂模块的搭建；运用HyperWorks分析了此5自由度服务机器人手臂模型的强度和刚度；并对手臂各关节连接板进行拓扑优化，得到优化结构模型方案，为机械手的研究奠定基础。
6 参考文献[1] 侯绪奎,地面移动机器人轻型机械臂，哈尔滨工业大学.硕士论文, 2007年7月.[2] G.Hirzinger,A. Albu-Schaffer,M.Hahnle,et al.On a new generation of torque controlledlight-weight robots.Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation,Seoul,2001,4:3356-3363.[3] G.Hirzinger, A.Albu-Schaffer, M.Hahnle, et al. Space Robotics-Driver for a newmechatronic generation of light-weight arms and multifingerd hands. Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics ，Proceedings,Como,2001,7:1160-1168[4] B.Rebele,B.Schaefer,A.Albu-Schaeffer,W.Bertleff. Robotic joints and contact dynamicsexperiments lessons learned from ROKVISS. Proceedings of the 8th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation'ASTRA 2006'ESTEC,Noordwijk,2006:1-8[5] ndzettel,C.Preusche,A.Albu-Schaeffer.Robotic On-Orbit Servicing-DLR'sExperience and Perspective.Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Mechatronics and Automation,Beijing,2006:4587-4594.[6] 张帅. 服务型机器人设计与前瞻性研究[D],浙江,浙江大学硕士学位论文, 2008[7] 陆蔚华. 商业服务机器人产品设计研究[D],浙江, 南京航空航天大学, 2007[8] Albu-Schäffer, A., Haddadin, S., Ott, C., Stemmer, A., Wimböck, T., Hirzinger, G.TheDLR lightweight robot: design and control concepts for robots in human environments[J].Industrial Robot: An International Journal 34(5) (2007)[9] 杨春杰,胡海波.新型多关节式机械手臂的机构设计[J].黄石高等专科学校学报, 2001,17-1[10] 高微,杨中平,赵荣飞等.机械手臂结构优化设计[J].机械设计与制造,2006,1-13[11] 王光建,梁锡昌,蒋建东.机器人关节的发展现状与趋势[J].机械传动,28-4[12] 刘加亮. 基于UG的涂胶机器人结构设计与仿真[D],燕山大学硕士学位论文, 2006[13] Albert Albers, Jens Ottnad, and Christian Sander1New Concept for Wrist Design ofthe Humanoid Robot ARMAR。