基于HyperWorks的遥操作主手构件拓扑优化设计

贾财运，崔龙，高凤阳

（1.沈阳建筑大学交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；

2.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳110016）

基于HyperWorks的遥操作主手构件拓扑优化设计

贾财运1，崔龙2，高凤阳1

（1.沈阳建筑大学交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；

2.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳110016）

论文利用变密度法对力反馈型遥操作主手的结构进行拓扑优化设计，旨在满足各种工况及易制造加工的条件下，实现零部件的轻量化。首先分析了零部件在多种工况下的受力情况，再根据分析结果对模型进行了拓扑优化，最后在优化结果的基础上进行了满足加工工艺要求的二次设计。最终得到的零部件结构模型与初始模型对比结果显示：在满足安装、强度、刚度、可加工性等约束条件的情况下，总质量比最初模型减轻了40.89%。

拓扑优化；变密度法；遥操作主手；轻量化；HyperWorks

0 引言

目前，遥操作技术在医疗、军事、工业等各大领域得到广泛应用。对于主从机器人遥操作系统而言，借助力反馈设备辅助操作，可大幅增强临场感，提高操作精度和安全性。遥操作机器人主要应用于人们难以临近的高温、高压、强辐射等恶劣环境，例如核反应堆维护作业，空间、海底的开发，火灾、水灾及地震时抢险作业等。

国外对遥操作主手课题的研究相对较早，美国橡树岭和阿尔贡国家实验室早于20世纪40年代后期就已实施研制遥控式工业机械手的计划，随后日本、西欧等国家也相继开展类似课题进行研究。而我国于80年代末才开始了遥操作机器人的研究，取得了阶段性的进展，比如华北电力大学在研制核电站检修机器人方面取得一定硕果。

遥操作主手既是从端机械手进行实时运动控制的输入设备，又是反映从手和环境之间相互作用力的力觉输出设备，需保证其灵活自如的运动性能。但实际操作中，由于零部件自重的存在，运动过程中产生的惯性力，会影响力反馈系统传输信息的准确性，将直接影响整个系统精细控制的效果。所以，需对遥操作主手的可移动零部件进行优化设计，在满足各种工况的条件下进行轻量化，以达到精确控制的目的。本文借助Hyper-Works软件，利用拓扑优化技术对遥操作主手的主要零部件展开了探究。

1 遥操作主手的构型

图1为三自由度遥操作主手结构，三个平移自由度采用Delta型并联机构实现，由底盘、伺服电机、从动盘和连杆组成。电机与从动盘之间用高强度钢丝绳进行传动，不仅起到了力矩放大作用，还使传动更加平滑。连杆与传动盘等各运动部件间的支撑轴承均采用预紧方式，不仅能消除运动间隙，还提高了操作精度。

图1　三自由度遥操作主手结构

2 受力分析

遥操作主手在空间的运动范围是一定的，且在不同的运动状态下，连杆和动平台各自的受力情况也有所变化。由于各构件在运动过程中受力情况复杂，为了精确、快速计算出构件最大受力，借助ADAMS软件进行动力学仿真，测出主要构件受力情况。最初在动平台中心施加沿着某方向且大小为12N的力。经模拟计算，发现在某些极限位置时，构件受力值相对较大。然后对多个极限位置状态进行分析、计算，结果见表1。

表1　连杆和动平台受力分析结果

由表1可知，连杆最大受力29.73N（拉力），动平台最大受力。考虑计算方便，优化设计时连杆、动平台最大受力分别取值为30N和60N。

3 初始模型有限元分析

3.1连杆初始模型的有限元分析

连杆的材料为铝合金，其弹性模量E=7e+4MPa，泊松比μ=0.3897，密度ρ=2.7e-03g/mm3，屈服极限σa= 300MPa，此时单个连杆质量为50.32g。

为真实准确反映结构本身的受力及约束情况，铰接孔周围节点均通过无质量的刚性单元连接。其中，约束点处（左端）采用了全自由度约束的方式，载荷施加点处（右端）施加垂直横截面水平向外30N的拉力，见图2。边界条件、载荷及材料属性设置后，对有限元模型进行静力分析。计算结果显示：最大VonMiss应力0.32MPa，最大位移5.84e-04mm，位于最右端。

图2　连杆初始有限元模型

3.2动平台初始模型的有限元分析

动平台最初模型质量为71.1g，其选材同连杆。为方便起见，把结构中间位置铰接孔处rbe2的节点等效为约束点，约束方式为全约束；为保持结构对称，在其他三个铰接孔处施加大小一致的载荷，且每个载荷施加点均受60N、10N和2N（最大扭矩等效力）的相互垂直作用力，方向分别为沿Z轴负方向、平行XY面并指向中间铰接孔、平行各自铰接孔轴线且为顺时针方向。见图3。经有限元静力分析计算，结果显示：动平台最大VonMiss应力为9.24MPa，位于中间铰接孔处；最大位移为2.39e-02mm。

图3　动平台初始有限元模型

4 拓扑优化及设计

对结构有限元划分单元后，拓扑优化分析时，每个相互独立的单元密度都视为相同，以材料的独立单元密度为设计变量（单元密度值是在0～1范围内进行连续变化的）。所以，存在以下关系：

ρ=Xeρ0

式中，Xe、ρ0分别为设计域里每个单元相对密度和固有密度；而ρ即为拓扑优化的设计变量。当ρ=1时，则代表该单元材料为实，需要保留该单元；当ρ=0时，代表该单元材料为空，需要将此单元进行删除；当ρ为0～1的某一个值时，需根据密度阀值设定来判断该单元是保留还是删除。

4.1连杆的优化设计

连杆模型优化问题描述如下：单元密度作为设计变量，以载荷施加点合位移小于为约束条件，以体积最小化（即尽可能减少材料）为目标。

连杆概念模型如图4（a），其中有限元网格分为可设计域和不可设计域。根据机构设计阶段的情况，各铰接孔的位置及尺寸是确定的，在结构的优化过程中必须保留，将此部分材料设置为不可设计域（深色）。剩下的材料作为可设计域（浅色）加以优化。划分单元、设置材料属性后，结合连杆优化前的边界条件及载荷，最后进行拓扑优化迭代求解。当单元密度阀值设置时，得到可设计区域中最优化布局的密度等值面图，如图4（b）所示。

根据拓扑优化结果对连杆进行了二次设计，最终得到质量为27.93g的新结构模型。然后对二次设计的新结构进行静力分析，此时最大Von-Miss应力0.55MPa，最大位移9.15e-4mm。

图4　连杆概念模型与优化模型

4.2动平台的优化

动平台模型优化问题可描述为：单元密度作为设计变量，以各载荷施加点的合位移小于2.40e-02mm为约束条件，以体积最小化为目标。

动平台概念模型也包括可设计域及不可设计域，如图5（a）所示。其有限元模型网格的划分方式及其他参数设置步骤同连杆类似。

经过38步迭代，结果得到收敛。单元密度阀值调整为0.3时，可设计域最优化布局的密度等值面图见图5（b）。

图5　动平台概念模型与优化模型

由于优化后的动平台结构不规则，孔洞贯穿相连，难以制造加工。为得到易于制造的产品，本文采用铸造工艺进行制造加工。因此，需要在之前的优化设置基础上添加成员尺寸控制约束、模式组约束及脱模约束等制造工艺约束组合，来解决以上问题。

为了消除优化结果中细小的传力路径，得到均匀的材料分布，使铸造过程中材料流动性提高，将最小成员尺寸设置为1mm。由于施加的载荷是对称的，那么理想中的优化模型结构应具有对称性，故将模式组设置为周向循环及一面对称的约束。对于铸造件，制造过程中的脱模必须考虑，且脱模方向上不能有材料阻挡，结合之前动平台优化模型结果情况，脱模方向选择为沿Z轴正方向进行单向脱模。设置好相关约束后，提交Optistruct运算，使用HyperView进行结果后处理分析。调整密度阀值为时，得到拓扑优化的密度云图，见图6（a）。

根据动平台拓扑优化结果进行了二次优化，得到质量为的新结构模型，见图6（b）。然后对二次优化52.93g的新结构进行了静力分析，此时动平台最大VonMiss应力为6.62MPa，最大位移为6.35e-3mm。

图6　工艺优化结果及二次优化模型

5 整体模型优化前后的结果对比

本次优化主要目的是构件在满足实际工况的条件下，减轻其自身的质量。经过对连杆、动平台优化前后的相关分析、比较，得到表2中的结果。

表2　连杆和动平台优化前后分析结果对比

由表2可知：优化后与优化前相比，连杆的最大位移量稍有增加，但变化量不大，而动平台最大位移明显减小；连杆和动平台优化前后的VonMiss应力均远远小于屈服应力；优化后的质量均明显较少，每个连杆质量减少22.39g（即6个连杆质量共减少134.34g），动平台减少18.17g，即遥操作主手可移动部件总质量减少152.51g，变化率为40.89%。

6 结论

本文运用HyperWorks软件对遥操作主手的连杆和动平台两个主要零部件进行了拓扑优化分析，并在设计过程中考虑到零部件的制造加工工艺，最终实现了零部件轻量化的目的。本设计为产品的概念设计，仅为设计者提供一种新的设计思路和方法，后期还需借助形状优化、尺寸优化等优化技术手段实现产品的完美设计。通过本实例的优化设计，体现了拓扑优化方法的科学性、合理性，具有实际的应用价值。

［1］刘海波，席振鹏.力反馈主手研究现状及其力控制方法研究［J］.自动化技术与应用，2009.

［2］魏海龙.主-从遥操作机器人力反馈系统的研究［D］.吉林大学，2006.

［3］洪清泉，赵康，张潘，等.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用［M］.机械工业出版社，2012．

［4］张涛.基于HyperWorks的装载机车架结构分析与优化［DB］.佳工机电网，2014，11．

［5］何强.面向托卡马克腔第一壁维护的遥操作机械臂机构设计及分析［D］.上海交通大学，2013．

［6］朱清君，张代胜.基于拓扑优化和灵敏度分析的车架轻量化改进［J］.汽车科技，2009，11．

［7］刘旺玉，曾琳，等．基于OptiStruet的风力叶片拓扑优化设计［J］．机械工程师，2009，6．

The Topology Optimization Design of the Main Hand Component of Tele-operation Based on HyperWorks

JIA Cai-Yun1，CUI Long2，GAO Feng-Yang1
（1.Institute of Transportation and Mechanical Engineering of Shenyang Jianzhu University，Shenyang Liaoning 110168，China；2.The State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang Liaoning 110016，China）

Based on variable density method，the structure of force feedback tele-operation main hand made topology optimization design，that designed to meet a variety of working conditions and the easy manufacturing conditions to achieve lightweight components.Firstly，the force of the components is analyzed in a variety of conditions.Then according to the analysis results，the model made the topology optimization.And finally on the basis of the results of the optimization process carried out to meet the requirements of the second design.The comparison results of the structure model of Parts of the resulting and the initial model showed that:In meeting the installation，strength，stiffness，workability and other constraints，the total mass ratio of the initial model to reduce.

topology optimization；variable density method；teleoperation main hand；lightweight；HyperWorks

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.003

1002-6673（2015）02-007-03

2015-01-28

项目来源：国家科技计划课题-精细遥操作主从机器人与人机交互控制系统（2012GB102005）

贾财运（1989-），男，山东菏泽人，在读硕士研究生。研究方向：机械结构设计及优化。