CN102637228A - 串联机器人结构设计优化方法 - Google Patents

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丁彦玉
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Abstract

一种串联机器人结构设计优化方法：将机器人的结构根据自由度数和传动结构分为多个模块；对各个模块进行初次设计，即初步确定模块的形状、厚度和传动方式；对初次设计的机器人结构进行有限元分析，通过该机器人的强度、刚度和固有频率的要求来优化结构；判断机器人结构的各个模块是否满足刚度的需要，满足继续，否则进行再次设计；对机器人进行整机简化后，进行模态分析；对阵型和频率进行分析，有不满足频率和阵型要求的地方，进行再次设计，若满足，则设计完成。本发明采用有限元和模态分析机器人结构取代传统的经验方法和单纯的强度校核方法，大大的提高了分析的准确性。通过对机器人结构有限元和模态分析，原材料和成本的最小消耗来达到机器人的强度和刚度的要求。

Description

串联机器人结构设计优化方法
技术领域
本发明涉及一种机器人结构设计。特别是涉及一种采用有限元和模态分析机器人结构的串联机器人结构设计优化方法。
背景技术
近年来，由于人力成本不断上升，很多企业都在寻求使用工业机器人来代替人工，同时，很多人类无法完成工作的行业和危险性较高的行业都需要机器人来代替人工来完成。机器人的结构不仅会影响到机器人的运动学和动力学的特性，甚至还会影响到机器人的控制方面的特性，因此，机器人的结构设计和优化问题尤为重要，结构优化的目标无外乎是用最低的成本达到设计的要求。由于工业机器人的工作环境较为恶劣和复杂，振动和噪声的影响不能忽略不计，因此串联机器人的结构不仅仅要满足自身强度的要求，还要考虑其共振、疲劳等因素。可以通过了解机器人的固有频率和阵型，来避免机器人工作中因共振因素造成的不必要的损失。
目前的机器人结构优化主要存在以下的问题：
1、采用传统的材料力学分析方法，通过简化模型和凭借经验公式来优化模型，虽然这种方法实践证明具有一定的可靠性，但是有时忽略了现实中很多重要的条件，不能全面的反映应力状态。
2、借助优化算法，建立目标函数，设定约束条件，通过算法的计算产生最优的解集，这种方式多为是理论上最优解，现实中往往难以达到。
3、利用有限元软件时，对网络划分的依赖性较高，优化的精度取决于网格的稀疏度及网格分布的优劣程度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结合有限元分析和模态分析的高效、可行的串联机器人结构设计优化方法。
本发明所采用的技术方案是：一种串联机器人结构设计优化方法，包括如下步骤：
(1)将机器人的结构根据自由度数和传动结构分为多个模块；
(2)对各个模块进行初次设计，即初步确定模块的形状、厚度和传动方式；
(3)对步骤(2)初次设计的机器人结构进行有限元分析，通过该机器人的强度、刚度和固有频率的要求来优化结构；
(4)针对步骤(3)中的分析结果，判断机器人结构的各个模块是否满足刚度的需要，如果满足直接进入步骤(6)中，若不满足则进入步骤(5)中进行再次设计；
(5)在再次设计中，如果有只需要局部修改的地方修改设计后返回步骤(3)的再次利用有限元软件simulation进行分析中；如果有需要整体修改的返回到步骤(2)中；
(6)对机器人进行整机简化后，进行模态分析；
(7)对阵型和频率进行分析，有不满足频率和阵型要求的地方，返回到步骤(5)进行再设计，若满足，则设计完成。
步骤(1)所述的多个模块包括有：底座、基座、转台、摆臂、小臂和关节顶这六个模块。
步骤(3)所述的进行有限元分析包括如下3步：
a)利用轨迹优化求出机器人从始点到终点的运动轨迹，即机器人运动过程中各个关节的角速度变化值，将求得的数值保存为txt格式存储起来；
b)将a)步中求出的角速度变化值导入到仿真软件motion中，在仿真软件motion中设置约束、接触和引力来模拟现实的环境，从而生成各个部件在工作过程受力情况；
c)利用有限元软件simulation进行分析，设定约束、添加力和划分网格，运行出结果，通过观察分析结果的应力值，得到部件刚度强度分布的情况。
步骤(6)所述的对机器人进行整机简化后，进行模态分析是，在有限元软件simulation中生成频率算例，求出机器人的固有频率和阵型，从阵型和固有频率得出机器人结构中需要需改进的部分，进行再设计。
本发明的串联机器人结构设计优化方法，采用有限元和模态分析机器人结构取代传统的经验方法和单纯的强度校核方法，大大的提高了分析的准确性。本发明先是对机器人的各个部件的进行优化，使其以最小的成本达到强度的要求，然后对整机进行模态分析，通过阵型可以看到机器人各个传动关节的刚度的境况。这样既达到了机器人结构各部件的强度，又达到了传动关节的刚度要求，使机器人结构达到最优化。本发明通过对机器人结构有限元和模态分析，原材料和成本的最小消耗来达到机器人的强度和刚度的要求。
附图说明
图1是本发明串联机器人结构设计优化方法和流程图；
图2是采用本发明的方法分析应力结果的效果图；
图3是采用本发明的方法分析机器人得到的机器人前六阶模态阵型的效果图
其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别对应机器人前6阶的阵型。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的串联机器人结构设计优化方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的串联机器人结构设计优化方法，包括如下步骤：
(1)将机器人的结构根据自由度数和传动结构分为多个模块，包括有底座、基座、转台、摆臂、小臂和关节顶六个模块；
(2)对各个模块进行初次设计，即初步确定模块的形状、厚度和传动方式；
(3)对步骤(2)初次设计的机器人结构进行有限元分析，通过该机器人的强度、刚度和固有频率的要求来优化结构；所述的进行有限元分析包括如下3步：
a)利用轨迹优化求出机器人从始点到终点的运动轨迹，即机器人运动过程中各个关节的角速度变化值，将求得的数值保存为txt格式存储起来；
b)将a)步中求出的角速度变化值导入到仿真软件motion中，在仿真软件motion中设置约束、接触和引力来模拟现实的环境，从而生成各个部件在工作过程受力情况；
c)利用有限元软件simulation进行分析，设定约束、添加力和划分网格，运行出结果，通过观察分析结果的应力值，得到部件刚度强度分布的情况。
(4)针对步骤(3)中的分析结果，判断机器人结构的各个模块是否满足刚度的需要，如果满足直接进入步骤(6)中，若不满足则进入步骤(5)中进行再次设计；
(5)在再次设计中，如果有只需要局部修改的地方修改设计后返回步骤(3)的再次利用有限元软件simulation进行分析中；如果有需要整体修改的返回到步骤(2)中；
(6)对机器人进行整机简化后，进行模态分析；
所述的对机器人进行整机简化后，进行模态分析是，在有限元软件simulation中生成频率算例，求出机器人的固有频率和阵型，从阵型和固有频率得出机器人结构中需要需改进的部分，进行再设计。
(7)对阵型和频率进行分析，有不满足频率和阵型要求的地方，返回到步骤(5)进行再设计，若满足，则设计完成。
下面具体说明本发明的串联机器人结构设计优化方法。
根据串联机器人结构和传动的特点，将机器人结构分为底座、基座、转台、摆臂、小臂和关节顶这六个模块。进行模块结构的初次设计，初步确定各个模块的形状、厚度和传动方式。
在motion仿真软件中，选择motion算例后添加六自由度串联机器人的六个马达，设定转动方向，转动的角速度利用插值法导入用matlab规划好的轨迹角速度值，设定整个环境的引力值和方向来模拟现实环境中的重力场，添加接触约束，来规避机器人部件在运动过程中碰撞的现象。模拟从始点到终点的运动过程后，可以将各个部件的受力情况列出图表。下表1为通过仿真测量出来的机器人主要部件的受力情况。
表1主要部件受力列表
  底座   基座   摆臂   转台   小臂   关节顶
  总和   210   127   188   123   125   123
  x   0   125   153   -16   -16   0
  y   0   6   82   -123   -123   0
  z   -210   0   6   -26   -26   -123
在有限元Simulation中对主要的六个部件进行有限元分析，举转台为例，根据实际情况定义了约束和添加力的大小方向后。画分网格，在局部地区添加网格约束。图2为分析应力结果的效果图，从图中的可以看到在耳部上边缘处应力为最大处(605800.4N/M～2)，超过材料强度，可以通过加厚和加筋来增加强度，同时在应力较安全的地方可以减小厚度来节省材料。其他的各个部件采用相同方法进行优化。
已经将简化的串联机器人建模导入到simulation中，创建频率算例，设置各个部件之间接触面的接合，添加机器人基座与地面的固定约束。划分网格，因为固有频率和振型主要取决于结构质量和刚度分布情况，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大。因此在进行模态分析时无需使用网格控制，正常划分网格即可，网格数值设置大小如下表2。
表2网格的参数
  雅可比点   最大单元   最小单元   网格品质   节总数   单元总数
  4   16mm   3.2mm   高   164010   97143
由于实际的分析对象是无限维的，所以其模态具有无穷阶，但是对于运动起主导作用的只是前面的几阶模态，所以计算时根据需要计算前几阶模态。频率分析的结果如下表3，机器人前6阶的阵型分别对应着图3中的a～f图。
表3机器人前6阶固有频率
  阶数   1   2   3   4   5   6
  固有频率   20.019   29.382   45.368   50.402   157.59   198.56
(1)由于串联机器人的模态中，小臂伸出的质量越大，整体机构的低阶频率越低。从表中可以看出本机构的一阶模态并不算低，满足国际上对负载12kg机器人第一阶固有频率不低于12Hz的要求，说明本机构伸出的质量不算大。
(2)从图3中b、c、d、e所示的2、3、4、5阶阵型相对于a所示的1阶模态可以看到，在转台与小臂连接处发生了扭曲、弯曲和弯扭的变形，因此可以判定本机构在转台与小臂处传动机构连接刚度不够，需要对此处的传动方式和结构进行再设计。
(3)从图3中e、f所示的5、6阶阵型可以看出来，基座与摆臂之间的发生扭曲，说明该处连接的刚度不够，需要对零件添加筋板、增加厚度。
通过对以上的有限元分析和模态分析提出的修改意见，进行修改后，再次进行分析，从而达到了整个设计到优化过程的闭循环，保证了此种方法设计优化出来的机器人能够满足预期的要求。

Claims (4)

1.一种串联机器人结构设计优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将机器人的结构根据自由度数和传动结构分为多个模块；
(2)对各个模块进行初次设计，即初步确定模块的形状、厚度和传动方式；
(3)对步骤(2)初次设计的机器人结构进行有限元分析，通过该机器人的强度、刚度和固有频率的要求来优化结构；
(4)针对步骤(3)中的分析结果，判断机器人结构的各个模块是否满足刚度的需要，如果满足直接进入步骤(6)中，若不满足则进入步骤(5)中进行再次设计；
(5)在再次设计中，如果有只需要局部修改的地方修改设计后返回步骤(3)的再次利用有限元软件simulation进行分析中；如果有需要整体修改的返回到步骤(2)中；
(6)对机器人进行整机简化后，进行模态分析；
(7)对阵型和频率进行分析，有不满足频率和阵型要求的地方，返回到步骤(5)进行再设计，若满足，则设计完成。
2.根据权利要求1所述的串联机器人结构设计优化方法，其特征在于，步骤(1)所述的多个模块包括有：底座、基座、转台、摆臂、小臂和关节顶这六个模块。
3.根据权利要求1所述的串联机器人结构设计优化方法，其特征在于，步骤(3)所述的进行有限元分析包括如下3步：
a)利用轨迹优化求出机器人从始点到终点的运动轨迹，即机器人运动过程中各个关节的角速度变化值，将求得的数值保存为txt格式存储起来；
b)将a)步中求出的角速度变化值导入到仿真软件motion中，在仿真软件motion中设置约束、接触和引力来模拟现实的环境，从而生成各个部件在工作过程受力情况；
c)利用有限元软件simulation进行分析，设定约束、添加力和划分网格，运行出结果，通过观察分析结果的应力值，得到部件刚度强度分布的情况。
4.根据权利要求1所述的串联机器人结构设计优化方法，其特征在于，步骤(6)所述的对机器人进行整机简化后，进行模态分析是，在有限元软件simulation中生成频率算例，求出机器人的固有频率和阵型，从阵型和固有频率得出机器人结构中需要需改进的部分，进行再设计。
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