可变胞混联机械手臂构型设计与刚度特性分析

王翘楚; 张静; 史创; 寇子明; 郭宏伟; 刘荣强

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (7) : 140 -149.

王翘楚, 张静, 史创, 寇子明, 郭宏伟, 刘荣强

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摘要

针对工业转运机器人普遍存在的末端轨迹误差大，多种转运需求难以适应等问题，基于混联机构和变胞机构的思想，设计了一种具有两种运动模式的可变胞混联机械手臂，并对腕部、肩部空间机构进行了刚度特性分析与优化。基于螺旋理论，根据自由度需求完成腕部和肩部机构的拓扑构型综合设计，继而通过变胞设计，实现运动模式切换。基于并联机构刚度叠加原理，建立了腕部、肩部机构的关节刚度模型，并以补偿误差为目的，提出腕部和肩部机构的刚度设计目标。以拓扑尺寸为设计变量，将刚度模型与刚度设计目标进行匹配，分析设计变量对刚度特性的影响，从而确定拓扑尺寸的设计方向。利用ANSYS软件对腕部和肩部机构进行静力学仿真，得到各个机构的关节最大变形量。仿真结果表明：在恒定载荷下，腕部机构拓扑尺寸调整后关节最大变形量增幅达2.85%～121.21%;肩部机构拓扑参数变化后各最大变形量降幅达3.18%～19.75%,验证了拓扑尺寸设计方向与机构的刚度设计方向一致。该研究为机构多目标优化以及误差补偿方法提供了参考。