文|娱乐圈避雷针
编辑|娱乐圈避雷针

前言：
为适应安全高效、绿色节能、低碳环保的新发展理念，利用新型轻质材料进行轻量化设计已经成为机器人发展的重要方向。

常规设计多采用刚度、强度冗余设计或经验设计的方法。这不仅会限制机器人的发展，也与当今机器人发展所追求的轻质、高速、节能等品质相违背。

碳纤维复合材料是典型的轻量化材料，比铝合金轻30%左右，具有很强的可设计性，通过对碳纤维复合材料的铺层方向与载荷方向进行设计可以改变其性能。

这对提高机器人的位置精度、降低能耗和提高机器人使用寿命。

运用ANSYS Workbench软件对金属机械臂和混合结构机械臂静力学分析，并结合分析结果进一步改进混合结构机械臂，得到满足强度和刚度要求的等壁厚混合结构机械臂方案。

为研究混合结构机械臂对六自由度机器人运动性能的影响，运用ADAMS软件对混合结构机械臂机器人动力学仿真分析，结果表明机器人运动平稳可靠。

碳纤维复合材料究竟是什么样的材料？它在混合结构机械臂中发挥着什么作用？

三维编织碳纤维复合材料成型工艺

碳纤维复合材料主要有两种结构，即层合板结构和三维编织结构。图1为两种复合材料的结构示意图。

层合板结构的复合材料是将一层层由二维机织或编织材料构成的二维编织物，按照一定的铺设方向和顺序黏合及加热固化处理制成的。

这种结构在厚度方向缺少增强纤维，厚度方向的刚度和强度较差，层间强度低、剪切模量小，容易出现冲击分层等问题。

研究对象为图2所示的六自由度机器人的大臂。材料为QT500-7铸铁，密度为7.25g/cm3。机器人的前臂驱动箱、前臂和腕关节等结构为铝合金，密度较小。

因此大臂的质量在机器人结构中占比非常大。对大臂结构减重处理，对于降低机器人的质量和提升机器人的性能都有着至关重要的意义。

由图2可知，大臂下端与安装在旋转臂上的减速器相连接，减速器带动大臂产生旋转运动。

大臂上端与前臂驱动箱相连，使前臂驱动箱与安装在驱动箱上的前臂和腕关节等部件随大臂一起运动。

在实际的作业中，六自由度机器人依靠6个电机分别驱动6个关节，在J6关节末端还需要承受50kg负载。因此大臂必须具备很强的抗弯曲变形能力。

采用碳纤维环氧树脂复合材料替换QT500-7；碳纤维选用T700-12K高强度、高模量碳纤维；树脂为E51环氧树脂。

铸铁与碳纤维复合材料的力学性能参数如表1所示。由表1可知，碳纤维复合材料密度约为QT500-7的1/5，拉伸强度约为QT500-7的4.7倍，弯曲模量约为QT500-7的2倍。

图2中的金属大臂即金属机械臂是由铸造工艺形成的整体结构。编织的机械臂预成型体还需通过固化成型工艺被树脂浸透。因此复合材料机械臂主体采用等壁厚设计原则。

复合材料机械臂与相邻部件直接采用螺栓连接并不可靠，因此提出基于CFRP/QT混合结构的机械臂设计方法，利用嵌套在复合材料机械臂中的金属件实现机械臂与相邻部件的连接。

由铸铁和碳纤维复合材料构成的混合机械臂装配体如图3所示。混合结构机械臂由4部分构成：即大端法兰、小端法兰，大臂主体和大端盖。

大、小端法兰仍采用QT500-7材质。大臂主体为碳纤维三维编织复合材料，为方便脱模，大臂主体下端设计为开口结构。

机械臂静力学仿真分析

主要分析六自由度机器人在图4所示极限姿态下大臂所受载荷情况，并利用计算得到的载荷进行静力学仿真。

将腕关节及其受力简化为图5所示悬臂梁受力分析简图。m5为腕关节的质量，L5为腕关节壳体末端到腕关节旋转中心的距离，q5为单位长度的均布载荷，F6为50kg负载所产生的重力。

在均布载荷q5与外力F6的作用下，悬臂梁的固定端A端产生支反力FA和弯矩MA。

图5腕关节受力分析简图利用静力平衡方程可以列出以下等式。

MX(A)= 0即在A端合力矩为零，得代入相关数据即可求得支反力FA和弯矩MA。

用同样的方法将前臂及其受力简化为图6所示悬臂梁受力分析简图。m4关节旋转中心到前臂与前臂驱动箱配合面的距离；q4为单位长度的均布载荷。

前臂产生的反作用力与力矩，数值与FA和MA相等，方向相反。在均布载荷下，悬臂梁的固定端B端产生支反力FB和弯矩MB。

将前臂驱动箱及其受力简化为图7所示的受力分析简图。m2与m3分别为前臂驱动箱两部分的质量；L1为前臂旋转中心距前臂驱动箱与大臂配合面的距离。

L2为驱动箱与前臂固接外表面的宽度；L3为前臂与前臂驱动箱配合面距前臂驱动箱与大臂配合处关节旋转中心的距离。

q2、q3为单位长度的均布载荷；F'B和M'B为前臂对前臂驱动箱产生的反作用力和力矩，数值与FB和MB相等，方向相反。

在均布载荷q2、q3与F'B和M'B的作用下，驱动箱的固定端C端产生支反力FO和弯矩M''X、M''Y、M''Z。

则大臂与前臂驱动箱配合面上所受载荷与FO、M''X、M''Y数值相等，方向相反。

性能分析

通过3.1节对大臂受力分析，得到大臂右端装配面在图4所示位姿下所受的载荷。运用ANSYS Workbench软件对金属机械臂与混合结构机械臂静力学仿真。

在仿真环境中，固定机械臂左端装配面，在右端装配面上施加载荷，同时在重力作用下，分析金属机械臂与混合结构机械臂的变形和所受应力。

图8和图9分别为金属机械臂的总变形云图和等效应力云图。金属机械臂的变形主要集中在右端配合面，左端变形小，最大变形为0.11392mm，最大应力为7.8MPa，远小于材料强度。

图10和图11分别为混合结构机械臂的总变形云图和等效应力云图。

混合结构机械臂的变形主要集中在右端配合面周围，左端变形小，最大变形为0.13877mm，最大应力为13.886MPa，小于材料强度。

与金属机械臂相比，混合结构机械臂的变形略大，需进一步改进结构。

动力学分析

为研究混合结构机械臂对六自由度机器人动力学性能的影响，运用ADAMS软件对装配了金属机械臂和20mm厚混合结构机械臂的六自由度机器人动力学分析。

将简化后的机器人模型导入ADAMS软件并为零件添加材料属性和运动副，根据机器人的运动要求，分别在J1~J6关节添加驱动函数：

f1=80d×sin(140d×t-90d)+80d；f2=-30d×sin(120d×t-90d)-30d；f3=35d×sin(120d×t-90d)+35d；f4=180d×sin(220d×t-90d)+180d；f5=15d×sin(220d×t-90d)+15d；f6=180d×sin(320d×t-90d)+180d，其中，d为旋转角度，t为时间。

在机器人末端添加50kg负载，将机器人各杆件视为刚性。图15为仿真环境下的机器人模型。

图16、图17、图18分别为金属机械臂机器人与混合结构机械臂机器人末端在x、y、z方向的位移、速度和加速度曲线。

混合结构机械臂机器人末端位移、速度和加速度曲线连续平滑，无间断和突变，呈正弦或余弦特征，表明混合结构机械臂机器人结构合理，具有很好的运动性能。

混合结构机械臂机器人末端Market点各曲线与金属机械臂末端Market点曲线比较吻合，曲线位移偏差小于16%，速度偏差小于22%，加速度偏差小于25%，且运动结束即2.5s时两个机器人的末端位移偏差小于4%，表明仿真结果较为准确。

结语

提出基于CFRP/QT混合结构的机械臂轻量化设计方案，建立混合结构机械臂三维模，通过对其作静力学分析，得出20mm复材壁厚的混合结构机械臂最大变形约为0.13877mm，表明混合结构机械臂具有很强的抗变形能力。

基于有限元分析结果改进混合结构机械臂的金属法兰，改进后的机械臂最大变形小于相同约束下的金属机械臂变形，质量较金属机械臂减轻约24%，满足轻量化设计目的。