基于ANSYS WorkBench的欠驱动手爪静动态性能分析

设置载荷和约束，分別得到了欠驱动手爪整机及在x、y、z方向上的应变分布云图和整体应力分布云图，结果验证整体设 计的合理性;在模态分析中，求岀欠驱动手爪自由模态下前6阶固有频率和振型.为避开共振选用动力装置提供了参考。关键词:有限元;欠驱动手爪;静力分析;模态;固有频率中图分类号:TP241;TH128文献标识码：A文章编号:1672-4801（2019 ）03-037-04DOI:10.19508/j.cnki. 1672-4801.2019.03.011欠驱动手爪「I即末端执行器是机器人的重要 构成部件,通常安装于机器人手臂末端位置,根据

时也进行了模态分析，以避免设计的结构发生

共振。不同的操作需求，它可以是通用夹持器或专用工

1欠驱动手爪整机结构欠驱动手爪整机模型是进行整个动静态性能

具。为满足焊接、装配、喷涂等工艺需求，最初的 末端执行器采用单自由度机构，仅由单一的开合

动作来完成一些简单的操作;这类夹持器虽然结

分析的基础。搭建的欠驱动整体机构如图1所 示，欠驱动手爪的机械本体主要由3根手指、机

构简单、控制方便、可靠性高,但是功能单一、灵活 性差，只适用于特定的工作任务役 为突破单自由

架、驱动装置、传动机构4部分组成，主要实现对 物体的抓取与夹持。由于在每根手指的关节连接

度夹持器灵活性的限制，多指机械手成为机器人 末端执行器研究的热点领域；该类夹持器具有拟

处均安装有2个起约束作用的弹簧，因此该欠驱 动手指每根手指有1个自由度，进而能够实现对人化的工作能力.能够仿照人手完成操作任务，具

有形状适应能力强的优点，能适应多种不同任务 的需要叫欠驱动手爪的静动态性能对其抓取性能有着

非常重要的影响，尤其是静力学性能。静刚度分 析作为一个评价机构性能的核心指标叫除了与其 本身机构拓扑关系有关外，同时也与各组成零件

的结构尺寸参数联系紧密；所以作为机构尺寸优

化的必要依据，对欠驱动手爪进行静力学分析不 可缺少。而传统末端夹持器整机因设计人员素质 差异，性能水平参差不一、效率不高。其结构设计 大多针对单一零件的优化分析，缺乏对整体性能

1.丝杆步进电机;2.电机安装板;3.螺母导盘;4、7.支撑柱;5.手

指;6.手掌;&底板;9.导杆；10.链接点的考量,且在欠驱动手爪研究中，常是对其动态性 能的研究，对其静态性能分析较少。因此,本文使

图1欠驱动机械手爪整体结构用ANSYS WorkBench对欠驱动手爪整体进行应 力及应变分析，找出其刚度最薄弱点，校核欠驱动

2静力学分析2.1静力学分析前处理手爪刚度,避免了后期进行刚度优化的盲目性；同 在静力学分析之前，在SolidWorks中对欠驱*（川大一泸州）合作项目（2018CDLZ-22）作者简介:吴必蛟（1991—）,男.硕士生,从事机器人结构设计及夹具设计研究。通讯作者:刁燕（197O-）,女.副教授，博士，从事机械设计、计算机辅助设计和机器人等方面的研究。38机电技术2019年6月动手爪微小特征进行简化处理Y主要包括倒角、 倒圆角、定位销孔、螺纹孔等因素，以便简化模型、 提高运算速度。在WorkBench处理的模型中，设 置模型的材料参数，手指、机架、驱动装置、传动机

构材料均为45号钢,其材料属性如表1所示。表1 45号钢材料属性密度/(kg/m3)泊松比弹性模量/Pa78500.32.1e+ll本文采用自由网格划分对该欠驱动手爪进行 网格划分，将整个手爪三维几何模型转化为有限 元模型。设置网格单元尺寸为默认,相关性Rele­

vance 值设置为20,相关性中心为中等,划分后网

格模型包含137 662个节点.69 271个单元，如图2 所示。2.2添加约束与载荷根据实际工况条件，对欠驱动手爪丝杆步进 电机、电机安装板、支撑柱、手掌、底板、导杆处施

加固定约束，螺母导盘施加位移约束。在欠驱动 手爪工作过程中，手指及手掌作为主要承载对象, 电机驱动力矩等效为对螺母导盘中心的驱动应 力;其大小设置为10 N,方向在螺母导盘中心竖直 向上。施加边界条件后的模型如图3所示。图2欠驱动手爪网格模型图3施加边界条件后

欠驱动手爪模型2.3求解及结果分析使用ANSYS WorkBench求解模块，得出其静 力学分析结果如图4、图5、图6所示。由图4知，在WorkBench Mechanical的计算分析

下,欠驱动手爪整体的最大等效应力为0.9429 MPa,

最大应力位于螺母导盘与导杆的链接点处。整机 应变及3个方向的应变分别如图5a、b、c、d所示，

其中,整体最大应变3.15e-4 mm,最大方向应变出图4欠驱动手爪整体等效应力分布云图(a)整体总应变(b)整体X方向应变(c)整体丫方向应变(d)整体Z方向应变图5欠驱动手爪整体应变分布云图第3期吴必蛟等:基于ANSYS Work Bench的欠驱动手爪静动态性能分析39图6欠驱动手爪整体等效弹性应变分布云图现在丫方向、最大应变量为3.1367e-4 mm,主要变 形区域集中在手指末端第3根指节及螺母导盘轮 廓边缘处。最大等效应力理论及最大剪切应力理 论适用于塑性材料，Mohr-Coulomb应力理论及最

大拉应力理论适用于脆性材料。结构钢属于塑性 材料,整体材料厚度均小于16 mm,对应抗拉强度

为370 MPa,屈服强度235 MPa,而仿真结果中最 大等效弹性应变4.7145e-6m叫最大等效应变

0.9429 MPao依据材料力学中的第四强度理论，

欠驱动手爪整体强度与刚度均符合设计要求。3模态分析模态分析是对结构进行动态评价的一项基础

指标叫 对欠驱动手爪结构进行模态分析,分析其 在自由状态下的自由模态,求出自由模态下每一

阶对应固有频率及其对应模态振型。机构的低阶 频率是评判机构好坏的关键数据,一般而言低阶 振动对结构的动态影响较大，低阶振型决定结构

的动态特性。取前6阶振态模型进行分析，其固 有频率数据如表2所示。表2前6阶固有频率阶数固有频率/Hz阶数固有频率/Hz192.5844447.56294.7555458.373244.446501.49R19.0

ft Modal TnWCJ72770248S10.124»04)50 0.150(b)2 阶(f)6 阶图7欠驱动手爪模态分析总变形分析云图(下转第54页)54机电技术2019年6月图15是螺杆压缩机湍流强度分布云图。从 进行了介绍,并对整机进行虚拟装配,对后续实体

图中分析可知阳转子啮合线前后，由于二者之间 存在较高的相对转动速度，带动各个方向的流体 汇聚到一起形成强旋流，所以靠近啮合线的湍流 强度较大。样机的设计与研发有一定的积极作用。2)利用Fluent软件对螺杆压缩机2D流场域

进行仿真,较为直观的反应出螺杆压缩机工作过 程中压力、温度、速度的变化规律,并且仿真结果

4结论1)本研究对螺杆压缩机主要零件的建模方法

与实际工作情况吻合。本研究结果可为其它压缩 机进一步优化设计提供指导和参考。参考文献：[1 ] 丁凌蓉，沈淒.基于SilidWorks的螺杆压缩机机体三维建模设计[J].江西理工大学学报,2007(6):17-19.[2] 田政方.小型双螺杆空气压缩机结构研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2014.[3] 张秀琴.双螺杆压缩机内部流场特性的分析与研究[D].汉中:陕西理工大学,2017.[4] CAO F, GAO T, LI S, et al. Experimental analysis of pressure distribution in a twin screw compressor for multiphase duties[J]. EXPERIMENTAL THERMAL AND FLUID SCIENCE,2011,35(1):219-225.[5] 权洁.基于SolidWorks的空气压缩机建模及仿真分析[J].煤矿机械,2011,32(8):56-5&[6] 龙骥，何雪明,姜振钢.双螺杆压缩机CFD仿真分析及实验验证[J].食品与机械,201 &34(9):106-110,146.[7] 何雪明，戴进，潘成龙，等.双螺杆压缩机的计算流体力学3D动态仿真与试验[J].机械设计,2016,33(7)： 59-65.[8] 冯博琳.复杂型面螺杆转子结构及流场特性分析[D].汉中:陕西理工大学,201 &冷辟普沪沪沖沖暦沖露沖沖胪轄普暦轄沔沖露沖沖妙抄沖沖沖曾洱勢(上接第39页)从图7a~f中的各阶振型可以看出，变形区域 集中在螺母导盘、导杆及手指处。1阶频率岀现

时随着阶次的升高,模态振型也愈发复杂，在第4 阶振型中，螺母导盘在VZ平面内复合扭转、导杆

时,欠驱动手爪在XZ平面内沿丫轴摆动;2阶频率 及手指结构在XZ平面内沿y轴摆动，较之前模态 振型有显著不同。出现时，欠驱动手爪在XZ平面内沿$轴摆动;3阶 频率出现时,欠驱动手爪在XZ平面内复合扭转;4

4结论通过Ansys WorkBench对欠驱动手爪进行了 静力学分析与模态分析,得出以下结论：1) 对欠驱动手爪进行了有限元建模、静力学

阶频率出现时，螺母导盘在FZ平面内复合扭转,

导杆及手指结构在XZ平面内沿y轴摆动；5阶频 率出现时,欠驱动手爪在XZ平面内沿丫轴摆动;6 阶频率出现时，欠驱动手爪导杆及手指结构在XZ

分析。静力学分析验证了欠驱动结构设计的合 理性。2) 欠驱动手爪的动力装置在满足承载要求的

平面内沿丫轴摆动。在前6阶模态振型中，随着模态阶次的提高,

欠驱动手爪的变形量逐步增大，变形主要集中在 手指指尖部位,在第6阶振型中变形达到最大;同

参考文献：同时，应使其固有频率与表2中所示频率范围相

差10% ~ 20%,以免发生共振。[1] 骆敏舟，梅涛，卢朝洪.多用途欠驱动手爪的自主抓取研究[J].机器人,2005,27(1)：20-25,30.[2] 金波，林龙贤.果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制[J].机械工程学报,2014,50(19): 1-&

⑶张文增，陈强，孙振国，等.具有形状自适应的欠驱动拟人机器人手指[J].机械工程学报,2004,40(10):115-118.[4] 何川骄.变掌式欠驱动机械手的研究与设计[D].沈阳:东北大学,200&[5] 李凯，张俊俊,刘满禄，等.两指自适应机械夹持器设计与研究[J].制造业自动化,2016,38(10):39-43.[6] 吴昊.PaQuad并联机构的静动态特性与灵敏度分析方法研究[D].天津:天津大学,2017.[7] 李治勇，汤卿，覃琴，等.基于ANSYS的桌面数控车床静刚度分析及结构优化[J].机械,2018,45(8):1-5,74.[8] 武永顶，续秀忠.基于ANSYS的起重机大梁结构模态分析[J].机电技术,2016(4):25-27.