[發明專利]一種輕量化機械臂的統一設計方法有效

申請號：	201710262854.0	申請日：	2017-04-20
公開（公告）號：	CN106934182B	公開（公告）日：	2020-03-24
發明（設計）人：	尹海斌;李勇光;楊峰;黃善勝	申請（專利權）人：	武漢理工大學
主分類號：	G06F30/23	分類號：	G06F30/23;G06F30/17
代理公司：	武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222	代理人：	齊晨涵;姜學德
地址：	430070 湖***	國省代碼：	湖北;42
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種量化機械統一設計方法
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【說明書】：

本發明公開了一種輕量化機械臂的統一設計方法，在有限元中進行機械臂的結構優化得到新的結構參數，將優化結果應用于驅動系統的設計中，完成驅動系統在ADAMS中的動態分析，更新關節參數，將更新后的結果反饋給結構設計模塊進一步優化結構參數，重復進行這個過程直到滿足設計要求為止。此設計方法在優化過程中建立結構設計和驅動系統兩個模塊之間的聯系，從全局把控機械臂的組成元素，尋求最優結果，實現機械臂的輕量化，其準確性高，優化效果好。

技術領域

本發明涉及機器人領域，具體涉及一種輕量化機械臂的統一設計方法。

背景技術

大多數現有的機械臂有明顯缺點：負載自重比小、結構笨重、高功耗等。而在高性能和特殊的任務中要求具有輕量化的機械臂，比如空間操縱。為了解決上面的問題，許多研究人員推出了機械臂的輕量化設計，這是一個復雜的系統包括驅動系統設計、結構設計、動態控制等。

驅動系統在機械臂的質量分布上占居很大比例，所以一些研究人員對構成驅動系統的電機和齒輪進行輕量化設計以此來實現機械臂的輕量化，然而這些研究僅從驅動系統出發，沒有考慮機械臂的結構。另一些研究則是從機械臂的結構出發，利用有限元對機械臂的拓撲結構進行優化設計，從而提高機械臂輕量化程度。然而僅從驅動系統或者拓撲結構這樣單一的角度出發，忽略驅動系統和結構的相互影響，往往并不能使機械臂的優化達到到最優效果。

發明內容

本發明就是針對現有技術的不足，提供了從全局把控機械臂的組成元素、優化效果最佳的輕量化機械臂的統一設計方法。

為了實現上述目的，本發明所設計的一種輕量化機械臂的統一設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.結構優化：對機械臂尺寸進行初步定位，建立三維模型，將三維模型導入有限元中，定義優化目標函數、設計變量、約束條件的初始值，并基于二次拉格朗日算法完成結構的首次優化，根據優化結果對設計變量與目標函數進行更新；

S2.驅動系統設計：將完成結構優化后更新得到的自變量與目標函數作為機械臂驅動系統的初始數據，在ADAMS中對驅動系統進行動態仿真與分析，完成驅動系統的設計，并根據設計結果進一步更新設計變量與目標函數；

S3.優化結果判斷：將步驟S2中得到的設計變量與目標函數與步驟S1中的初始值進行比較，判斷結果是否滿足要求，如果不滿足，將步驟S2得到的設計變量與目標函數作為步驟S1中的初始值，繼續步驟S1、S2和S3，直到滿足要求。

進一步地，所述的步驟S1具體包含：

S11.在結構設計軟件中建立初始機械臂的三維模型，初步確定機械臂的結構尺寸和驅動系統數據；

S12.定義機械臂優化目標函數和設計變量；

S13.將三維模型導入到有限元中，在有限元中對導入的機械臂模型進行約束設置，并根據實際情況對機械臂所能承受的最大負載進行設定；

S14.在有限元中對收斂條件進行設置，然后基于二次拉格朗日算法進行非線性編程實現機械臂結構的首次優化；

S15.根據首次優化后的機械臂的結構尺寸，對目標函數與設計變量中相關部分更新替換，得到新的設計變量與目標函數。