專利名稱：串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。特別是涉及一種采用有限元和模態(tài)分析機(jī)器人結(jié)構(gòu)的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于人力成本不斷上升，很多企業(yè)都在尋求使用工業(yè)機(jī)器人來代替人工，同時(shí)，很多人類無法完成工作的行業(yè)和危險(xiǎn)性較高的行業(yè)都需要機(jī)器人來代替人工來完成。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不僅會(huì)影響到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特性，甚至還會(huì)影響到機(jī)器人的控制方面的特性，因此，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題尤為重要，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)無外乎是用最低的成本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。由于工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境較為惡劣和復(fù)雜，振動(dòng)和噪聲的影響不能忽略不計(jì)，因此串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不僅僅要滿足自身強(qiáng)度的要求，還要考慮其共振、疲勞等因素?？梢酝ㄟ^了解機(jī)器人的固有頻率和陣型，來避免機(jī)器人工作中因共振因素造成的不必要的損失。目前的機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要存在以下的問題I、采用傳統(tǒng)的材料力學(xué)分析方法，通過簡(jiǎn)化模型和憑借經(jīng)驗(yàn)公式來優(yōu)化模型，雖然這種方法實(shí)踐證明具有一定的可靠性，但是有時(shí)忽略了現(xiàn)實(shí)中很多重要的條件，不能全面的反映應(yīng)力狀態(tài)。2、借助優(yōu)化算法，建立目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定約束條件，通過算法的計(jì)算產(chǎn)生最優(yōu)的解集，這種方式多為是理論上最優(yōu)解，現(xiàn)實(shí)中往往難以達(dá)到。3、利用有限元軟件時(shí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)劃分的依賴性較高，優(yōu)化的精度取決于網(wǎng)格的稀疏度及網(wǎng)格分布的優(yōu)劣程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種結(jié)合有限元分析和模態(tài)分析的高效、可行的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，包括如下步驟(I)將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)根據(jù)自由度數(shù)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為多個(gè)模塊；(2)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初次設(shè)計(jì)，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動(dòng)方式；(3)對(duì)步驟(2)初次設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，通過該機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和固有頻率的要求來優(yōu)化結(jié)構(gòu)；(4)針對(duì)步驟(3)中的分析結(jié)果，判斷機(jī)器人結(jié)構(gòu)的各個(gè)模塊是否滿足剛度的需要，如果滿足直接進(jìn)入步驟￠)中，若不滿足則進(jìn)入步驟(5)中進(jìn)行再次設(shè)計(jì)；(5)在再次設(shè)計(jì)中，如果有只需要局部修改的地方修改設(shè)計(jì)后返回步驟(3)的再次利用有限元軟件simulation進(jìn)行分析中；如果有需要整體修改的返回到步驟(2)中；(6)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整機(jī)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行模態(tài)分析；、
(7)對(duì)陣型和頻率進(jìn)行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，返回到步驟(5)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，若滿足，則設(shè)計(jì)完成。
步驟(I)所述的多個(gè)模塊包括有底座、基座、轉(zhuǎn)臺(tái)、擺臂、小臂和關(guān)節(jié)頂這六個(gè)模塊。步驟(3)所述的進(jìn)行有限元分析包括如下3步a)利用軌跡優(yōu)化求出機(jī)器人從始點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)關(guān)節(jié)的角速度變化值，將求得的數(shù)值保存為txt格式存儲(chǔ)起來；b)將a)步中求出的角速度變化值導(dǎo)入到仿真軟件motion中，在仿真軟件motion中設(shè)置約束、接觸和引力來模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，從而生成各個(gè)部件在工作過程受力情況；c)利用有限元軟件simulation進(jìn)行分析,設(shè)定約束、添加力和劃分網(wǎng)格,運(yùn)行出結(jié)果，通過觀察分析結(jié)果的應(yīng)力值，得到部件剛度強(qiáng)度分布的情況。步驟(6)所述的對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整機(jī)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行模態(tài)分析是，在有限元軟件simulation中生成頻率算例，求出機(jī)器人的固有頻率和陣型，從陣型和固有頻率得出機(jī)器人結(jié)構(gòu)中需要需改進(jìn)的部分，進(jìn)行再設(shè)計(jì)。本發(fā)明的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，采用有限元和模態(tài)分析機(jī)器人結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法和單純的強(qiáng)度校核方法，大大的提高了分析的準(zhǔn)確性。本發(fā)明先是對(duì)機(jī)器人的各個(gè)部件的進(jìn)行優(yōu)化，使其以最小的成本達(dá)到強(qiáng)度的要求，然后對(duì)整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，通過陣型可以看到機(jī)器人各個(gè)傳動(dòng)關(guān)節(jié)的剛度的境況。這樣既達(dá)到了機(jī)器人結(jié)構(gòu)各部件的強(qiáng)度，又達(dá)到了傳動(dòng)關(guān)節(jié)的剛度要求，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)化。本發(fā)明通過對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)有限元和模態(tài)分析，原材料和成本的最小消耗來達(dá)到機(jī)器人的強(qiáng)度和剛度的要求。


圖I是本發(fā)明串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和流程圖；圖2是采用本發(fā)明的方法分析應(yīng)力結(jié)果的效果圖；圖3是采用本發(fā)明的方法分析機(jī)器人得到的機(jī)器人前六階模態(tài)陣型的效果圖其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別對(duì)應(yīng)機(jī)器人前6階的陣型。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法做出詳細(xì)說明。如圖I所示，本發(fā)明的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，包括如下步驟(I)將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)根據(jù)自由度數(shù)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為多個(gè)模塊，包括有底座、基座、轉(zhuǎn)臺(tái)、擺臂、小臂和關(guān)節(jié)頂六個(gè)模塊；(2)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初次設(shè)計(jì)，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動(dòng)方式；(3)對(duì)步驟(2)初次設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，通過該機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和固有頻率的要求來優(yōu)化結(jié)構(gòu)；所述的進(jìn)行有限元分析包括如下3步a)利用軌跡優(yōu)化求出機(jī)器人從始點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)關(guān)節(jié)的角速度變化值，將求得的數(shù)值保存為txt格式存儲(chǔ)起來；b)將a)步中求出的角速度變化值導(dǎo)入到仿真軟件motion中，在仿真軟件motion中設(shè)置約束、接觸和引力來模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，從而生成各個(gè)部件在工作過程受力情況；
c)利用有限元軟件simulation進(jìn)行分析，設(shè)定約束、添加力和劃分網(wǎng)格，運(yùn)行出結(jié)果，通過觀察分析結(jié)果的應(yīng)力值，得到部件剛度強(qiáng)度分布的情況。(4)針對(duì)步驟(3)中的分析結(jié)果，判斷機(jī)器人結(jié)構(gòu)的各個(gè)模塊是否滿足剛度的需要，如果滿足直接進(jìn)入步驟￠)中，若不滿足則進(jìn)入步驟(5)中進(jìn)行再次設(shè)計(jì)；(5)在再次設(shè)計(jì)中，如果有只需要局部修改的地方修改設(shè)計(jì)后返回步驟(3)的再次利用有限元軟件simulation進(jìn)行分析中；如果有需要整體修改的返回到步驟(2)中；(6)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整機(jī)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行模態(tài)分析；所述的對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整機(jī)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行模態(tài)分析是，在有限元軟件simulation中生成頻率算例，求出機(jī)器人的固有頻率和陣型，從陣型和固有頻率得出機(jī)器人結(jié)構(gòu)中需要需改進(jìn)的部分，進(jìn)行再設(shè)計(jì)。(7)對(duì)陣型和頻率進(jìn)行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，返回到步驟(5)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，若滿足，則設(shè)計(jì)完成。下面具體說明本發(fā)明的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。根據(jù)串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的特點(diǎn)，將機(jī)器人結(jié)構(gòu)分為底座、基座、轉(zhuǎn)臺(tái)、擺臂、小臂和關(guān)節(jié)頂這六個(gè)模塊。進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)的初次設(shè)計(jì)，初步確定各個(gè)模塊的形狀、厚度和傳動(dòng)方式。在motion仿真軟件中，選擇motion算例后添加六自由度串聯(lián)機(jī)器人的六個(gè)馬達(dá)，設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度利用插值法導(dǎo)入用matlab規(guī)劃好的軌跡角速度值，設(shè)定整個(gè)環(huán)境的引力值和方向來模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的重力場(chǎng)，添加接觸約束，來規(guī)避機(jī)器人部件在運(yùn)動(dòng)過程中碰撞的現(xiàn)象。模擬從始點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程后，可以將各個(gè)部件的受力情況列出圖表。下表I為通過仿真測(cè)量出來的機(jī)器人主要部件的受力情況。表I主要部件受力列表
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)根據(jù)自由度數(shù)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為多個(gè)模塊； (2)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初次設(shè)計(jì)，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動(dòng)方式； (3)對(duì)步驟(2)初次設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，通過該機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和固有頻率的要求來優(yōu)化結(jié)構(gòu)； (4)針對(duì)步驟(3)中的分析結(jié)果，判斷機(jī)器人結(jié)構(gòu)的各個(gè)模塊是否滿足剛度的需要，如果滿足直接進(jìn)入步驟出)中，若不滿足則進(jìn)入步驟(5)中進(jìn)行再次設(shè)計(jì)； (5)在再次設(shè)計(jì)中，如果有只需要局部修改的地方修改設(shè)計(jì)后返回步驟(3)的再次利用有限元軟件simulation進(jìn)行分析中；如果有需要整體修改的返回到步驟(2)中； (6)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整機(jī)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行模態(tài)分析； (7)對(duì)陣型和頻率進(jìn)行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，返回到步驟(5)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，若滿足，則設(shè)計(jì)完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(I)所述的多個(gè)模塊包括有底座、基座、轉(zhuǎn)臺(tái)、擺臂、小臂和關(guān)節(jié)頂這六個(gè)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(3)所述的進(jìn)行有限元分析包括如下3步 a)利用軌跡優(yōu)化求出機(jī)器人從始點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)關(guān)節(jié)的角速度變化值，將求得的數(shù)值保存為txt格式存儲(chǔ)起來； b)將a)步中求出的角速度變化值導(dǎo)入到仿真軟件motion中，在仿真軟件motion中設(shè)置約束、接觸和引力來模擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境，從而生成各個(gè)部件在工作過程受カ情況； c)利用有限元軟件simulation進(jìn)行分析，設(shè)定約束、添加力和劃分網(wǎng)格，運(yùn)行出結(jié)果，通過觀察分析結(jié)果的應(yīng)カ值，得到部件剛度強(qiáng)度分布的情況。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟(6)所述的對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整機(jī)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行模態(tài)分析是，在有限元軟件simulation中生成頻率算例，求出機(jī)器人的固有頻率和陣型，從陣型和固有頻率得出機(jī)器人結(jié)構(gòu)中需要需改進(jìn)的部分，進(jìn)行再設(shè)計(jì)。
全文摘要
一種串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)根據(jù)自由度數(shù)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分為多個(gè)模塊；對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初次設(shè)計(jì)，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動(dòng)方式；對(duì)初次設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，通過該機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和固有頻率的要求來優(yōu)化結(jié)構(gòu)；判斷機(jī)器人結(jié)構(gòu)的各個(gè)模塊是否滿足剛度的需要，滿足繼續(xù)，否則進(jìn)行再次設(shè)計(jì)；對(duì)機(jī)器人進(jìn)行整機(jī)簡(jiǎn)化后，進(jìn)行模態(tài)分析；對(duì)陣型和頻率進(jìn)行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，進(jìn)行再次設(shè)計(jì)，若滿足，則設(shè)計(jì)完成。本發(fā)明采用有限元和模態(tài)分析機(jī)器人結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法和單純的強(qiáng)度校核方法，大大的提高了分析的準(zhǔn)確性。通過對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)有限元和模態(tài)分析，原材料和成本的最小消耗來達(dá)到機(jī)器人的強(qiáng)度和剛度的要求。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102637228SQ20121009834
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者丁彥玉, 劉振忠, 王太勇, 王潤, 邵明堃 申請(qǐng)人:天津大學(xué)