基于形态学矩阵法的搬运机械手结构分析与优化

王淳，翁清鸿，杨雪东，胡清明

基于形态学矩阵法的搬运机械手结构分析与优化

王淳，翁清鸿，杨雪东，胡清明＊

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

上下料搬运机械手作为自动化生产线向智能化转型升级的重要组成部分，对生产线智能化和提升生产线效率起着至关重要作用。以搬运机械手为研究对象，基于形态学矩阵法对机械手结构设计方案进行优化。通过疲劳仿真与有限元仿真方法对搬运机械手关键结构部件进行分析，验证理论推导准确性。结果表明，采用计算机控制的平板式机械手为最佳设计方案，且齿轮传动方式疲劳值更小，夹爪机构应力值更小，应力分布更均匀，最大应力47.5N/mm2。所提出机械手可有效延长其工作寿命，为机械手结构设计与力学性能优化奠定理论基础。

机械手；静力学特性；夹爪机构；疲劳

智能制造和工业生产线的迅猛发展，促进传统制造行业逐渐向新型制造技术、高度机械化、产品数字化和智能化转型升级，自动化程度的提升使得对生产线上搬运机械手提出了更高要求[1]。上下料搬运机械手作为自动化生产线上的重要组成部分，对于提升生产线的智能化水平和提高生产线的工作效率起着重要作用，尤其对于智能制造和数字化车间的转型显得尤为重要。为此，众多学者从理论和仿真分析等角度对上下料机械手开展研究，孙龙飞等[2]提出了一种新型机械手臂结构，该结构基于平行四边形框架平衡外部弯矩作用原理，将机器人大臂和小臂设计成平行四边形框架结构以及对角线驱动结构形式。ORAL等[3]采用双节点混合应力剪切柔性有限元方法对机械臂进行建模，研究其多体动力学有限元质量特性，并利用凯恩方程递归公式分析了多链接机械系统。围绕机械臂运动仿真及其动力学分析方面，KIMURA等[4]利用非线性有限元分析软件ABAQUS对柔性带的大非线性变形进行分析，探究了结构变形对驱动力变化影响规律。徐建飞等[5]针对一种六自由度工业机器人真实抓取过程中的运动进行有限元分析，同时对机械手臂结构参数进行了优化设计。

形态学矩阵法又称形态综合法，是一种系统搜索的方法，常用于对机械系统进行功能分解，将多种因素进行随机组合，从而搜寻最佳优化方案。白晓伟等[6]基于形态学矩阵法针对自然通风系统进行了优化设计，实现了分区系统的整合，并通过实验进行了验证。张欣蔚等[7]设计了一种新型自动化设备，在设计流程中采用形态学矩阵法寻找最佳结构解，并使用权重向量对机构的各方案进行了模糊综合评价。CHITARIU等[8]对形态学矩阵进行了详细的阐述，并以液压泵装置为研究对象，对装置结构设计进行了优化，通过物理样机进行了实验验证。目前，国内外针对机械手结构优化的研究大多是基于有限元方法与理论分析展开的，为此，本文以搬运机械手为研究对象，基于形态学矩阵法对机械手设计方案进行优化，采用有限元技术验证，以提高机械手工作效率，延长工作寿命，为机械手结构设计与优化提供借鉴。

1 机械手结构设计方案优化

1.1 机械手结构分析

搬运机械手主要由夹爪、连杆和转动机构3部分组成，其分别对应手掌、手臂和关节[9]，如图1所示。根据夹爪的工作原理和夹持方式不同，常将机械手定义为夹持式、支撑式、空压式、液压驱动式、电磁控制式机械手。连杆主要分为可伸缩式与不可伸缩式，后者加工简单、制造成本低，因此机械手运动过程中通常使用多个不可伸缩的连杆完成目标动作[10]。转动机构配合形式通常为面接触，具有耐磨性好、制造简单且精度高等优点。

图1 机械手结构简图

1.2 基于形态学矩阵的方案优化

上下料机械手在工作过程中主要用于实现零部件的抓取与摆放等功能，所需机构和控制系统包括驱动装置、传动装置、执行机构、反馈系统及辅助机构[11]。通过对各机构可选方案分析基础上，列写机械手形态学矩阵，如表1所示。

表1 机械手的形态学矩阵

对机械手的方案采用模糊评价方法进行分析。基于市场调查确定机械手需要进行评价的主要目标并确定各个系数的权重，建立相应的评价目标树，如图2所示。

图2 机械手评价目标树

根据所需评估的参数进行分析，将每个参数都赋予代号并统一写成集合。即={1,2,3,4,5,6,7}={效率，可靠性，价格，耗电量，工作时间，外观，噪音}。再将方案评价后的结果进行等级划分，分别为优秀、良好、中等、较差。

3种机械手的模糊评价矩阵为

方案1——电控式V型机械手的模糊矩阵

方案2——计算机控制板式机械手的模糊矩阵

方案3——带式平板机械手的模糊矩阵

将模糊评价矩阵和加权系数矩阵进行合成，分别求出3个方案的系数

通过合成后的矩阵综合评价指标得知方案2和3为良好，方案1为中等，3种方案的选择优先级为2, 3, 1，因此，计算机控制板式机械手为最佳设计方案。

2 搬运机械手仿真分析

2.1 建立仿真模型

机械手主要分为主干部位、承载部位和夹持部位。主干部位的底座可以通过与电动机、转盘之类的可旋转部件进行连接，能够在保证机械手自身工作条件稳定的情况下实现更大范围的旋转运动。承载部位主要由连杆构成，起连接支座和夹爪机构作用。夹持机构是机械手最重要的组成部分，决定了机械手能否实现指定的夹持动作。夹持机构可简化为由连杆杆身、驱动固定器和驱动装置组成。为验证基于形态学矩阵法所设计机械手结构的准确性，搭建上述3种方案的数字化虚拟样机模型，如图3所示。

图3 机械手有限元模型

在有限元仿真分析前，需定义机械手的材料属性，设定机械手的材料为结构钢，主要参数如表2所示。

表2 结构钢及同步带材料主要参数

网格单元为solid 4，网格数量为4729。机械手底部支座固定约束，通过step函数给予机械手阶跃式位移变量，进行仿真分析。

2.2 有限元仿真分析

方案2与方案3中，二者最大区别在于传动方式的不同。齿轮传动的接触应力与带传动的接触应力因其材料不同而产生较大差距，不具有可比较性。但就本节分析而言，机械手其他条件相同情况下，可通过疲劳寿命仿真分析来验证优化的准确性，如图4所示。

图4 不用传动方式下的疲劳云图

由图4可知，与齿轮传动相比，在机械手不断往复的运动中，同步带由于其自身材料属性，疲劳寿命值较小，易产生断裂等不良现象。皮带带齿齿根易产生应力集中，随着工作时间的增加，易引起带啮合传动过程中发生跳齿、脱齿等，影响机械手整机工作寿命。故在机械手结构中，齿轮传动无论从力学性能或经济成本来说，均优于带传动。

方案1与方案2中，二者最大区别在于夹爪机构的选择。同时，夹爪机构与被夹持物体直接接触，是机械手结构中应力集中最大且最容易失效机构。故基于机械手的工作状态，就两种不同类型的夹爪机构进行力学性能分析，以验证形态学矩阵法优化的准确性，分析后得到不同夹爪的应力云图如图5所示。

夹爪机构在工作过程中主要受到夹爪自身重力、传动机构的摩擦力及被夹持物体的反作用力。由此可知，V型夹爪在夹持物体过程中，其顶点处易产生较大应力集中。且由于V型夹爪与被夹持物体接触面积较小，导致夹持过程中易产生物体掉落情况。需通过更换夹爪材料属性或增加夹爪表面粗糙度等措施以改善上述不良情况。平板型夹爪由于其自身结构特点，在夹持过程中受力较均匀，最大应力值47.5N/mm2。且与被夹持物体接触面体较大，搬运过程较稳定，故平板型夹爪的动态性能较好。

图5 夹爪机构应力云图

3 结论

本文以自动流水线上搬运机械手为研究对象，基于形态学矩阵法对机械手结构设计进行优化，通过疲劳仿真与有限元仿真对理论分析进行了验证，得出结论：

（1）基于对机械手的结构分析，列写了机械手结构设计方案的形态学矩阵，通过分析得到了最优方案为计算机控制板式机械手。

（2）建立了机械手虚拟样机模型，基于有限元仿真方法分析了不同传动方式的疲劳寿命影响规律，及不同夹爪机构的应力分布规律。其中，齿轮传动疲劳寿命较长，平板型夹爪机构应力值较低，为47.5N/mm2，验证了理论分析的准确性。

[1] 张籴. 浅谈机械手的发展趋势[J]. 时代汽车，2019(08): 31-32.

[2] 孙龙飞，房立金. 机械手臂结构设计与性能分析[J]. 农业机械学报，2017, 48(09): 402-410.

[3] ORAL S, IDER S K. Coupled rigid-elastic motion of filament-wound composite robotic arms[J]. Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering, 1997, 147(1-2): 117-123.

[4] KIMURA H, KATAOKA M, SUZUKI S. A flexible robotic arm with hydraulic skeleton[J]. Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, 2012, 6(7): 1107-1120.

[5] 徐建飞，范纪华，任亮，等. 基于ADAMS和ANSYS工业机器人运动仿真与有限元分析[J]. 机床与液压，2018, 46(15): 24-27.

[6] 白晓伟，刘德明，夏柏树，等. 基于形态学矩阵的全民健身中心自然通风系统建构研究[J]. 建筑学报，2020(S1): 1-5.

[7] 张欣蔚，王进，温云，等. 基于形态学矩阵与模糊综合评价的自动穿鞋带机构设计[J]. 轻工机械，2015, 33(03): 20-25.

[8] CHITARIU D F, DUMITRAȘ C G. Morphological matrix application in the development of technical solution for hydraulic pumping unit used oil and gas exploitation[J]. Annals: Series on Engineering Sciences (Academy of Romanian Scientists), 2015, 7(2): 131-142.

[9] 孟浩. 番茄采摘机械手的设计与试验研究[D]. 大庆：黑龙江八一农垦大学，2021.

[10] 周益锋. 冲床上下料机械手的结构设计[J]. 锻压装备与制造技术，2021, 56(06): 31-34.

[11] 张世欢，吴玉国，耿培涛. 智能机械手在车轮生产线上的应用探索[J]. 世界有色金属，2021(21): 25-26.

Structural analysis and optimization of handling manipulator based on morphological matrix method

WANG Chun，WENG Qing-hong，YANG Xue-dong，HU Qing-ming＊

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

As an important part for automatic production line with intelligent transformation and upgrading, loading and unloading handling manipulator plays a vital role in enhancing the intelligent level and improving the efficiency of the production line. Herein, the manipulator was investigated and the manipulator structure was optimized based on morphological matrix method. The key structural components of the handling robotic arm are analyzed through fatigue simulation and finite element simulation methods to validate the accuracy of theoretical derivations. The results indicate that the computer-controlled planar robotic arm is the optimal design, with the gear transmission having lower fatigue, lower stress in the gripper mechanism, more uniform stress distribution, and a maximum stress of 47.5 N/mm2.The proposed robotic arm can effectively extend its service lifespan, laying theoretical foundation for structural design and mechanical performance optimization of the robotic arm.

manipulator；static characteristics；gripper mechanism；fatigue

TP241

A

1007-984X(2023)06-0005-06

2023-05-29

黑龙江省省属本科高校基本科研业务费项目（135209402）；黑龙江省高等教育教学改革研究项目（SJGY20190715）；2021年国家级大学生创新创业训练计划资助项目（202110232020）；齐齐哈尔大学研究生创新科研项目（YJSCX2021084）

王淳（2000-），女，黑龙江鹤岗人，硕士在读，主要从事机电产品设计与动力学仿真研究，1552500047@qq.com。

胡清明（1985-），男，江西遂川人，副教授，博士，主要从事现代机械传动系统设计与多体系统动力学研究，huqingming1267@126.com。