CN103425842A - 一种并联机器人快速开发系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种并联机器人快速开发系统及方法，设置有支撑系统，有数值计算系统、CAD系统、CAE系统、控制系统，为并联机器人快速开发系统提供设计平台支撑，还有：用于为系统提供基础支撑的支撑数据库；具有数据交换接口和支撑数据库的管理的资源信息管理模块；用于设计人员：进行并联机器人的理论设计分析的设计模块；进行并联机器人的结构设计的结构设计模块；进行并联机器人的运动仿真分析的模型验证模块；进行仿真分析的CAE仿真设计模块；进行机电耦合仿真设计的机电耦合设计模块；对设计出来的并联机器人进行优化设计的优化设计模块。本发明能够实现并联机器人的集成化设计，有效提高并联机器人的研发设计效率和质量。

Description

一种并联机器人快速开发系统及方法

技术领域

本发明涉及一种CAD/CAE数字化设计和智能设计系统。特别是涉及一种用于CAD/CAE数字化设计和智能设计的并联机器人快速开发系统及方法。

背景技术

并联机构是一类拓扑结构多样性强、铰链类型众多、部件几何形状复杂的机电系统，其设计过程涉及的模型（运动学、刚体动力学、弹性动力学、柔体与控制耦合）、设计变量（尺度、结构、材料、驱动器与控制参数），以及性能要求众多，因此其研发设计是一项较复杂的系统工程。并且在设计过程中必须采用多种工具软件，这样导致了设计环节分散，且各环节间的数据模型的映射和演变存在障碍，以致设计效率低下，研发周期过长。因此，迫切需要一个统一的、集成的智能设计平台来解决上述问题。因此，并联机器人的数字化智能设计成为重要的研究方向。研究并联机器人快速开发系统可为我国新兴并联机器人企业的发展提供持续的软实力支持。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够有效提高并联机器人研发效率的并联机器人快速开发系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种并联机器人快速开发系统，设置有支撑系统，包括数值计算系统、CAD系统、CAE系统、控制系统，为并联机器人快速开发系统提供设计平台支撑，所述数值计算系统为并联机器人的理论设计计算提供支撑，所述CAD系统为并联机器人的结构设计提供支撑，所述CAE系统为并联机器人的工程仿真分析提供支撑，所述控制系统为并联机器人的控制系统设计以及机电耦合仿真分析提供支撑；还包括有：

支撑数据库，用于为系统提供基础支撑，包括拓扑构型库、标准件库、常用件库、零部件库、运动规律库、结合面特征库、控制模型库；

资源信息管理模块，包括有数据交换接口和支撑数据库的管理，其中，所述的数据交换接口用于数据库与各个模块之间的数据调用与传递；所述的支撑数据库的管理，用于整个数据库信息的添加、删除、查询、修改，以及设计过程中的版本管理和结果保存；

设计模块，包括有：概念设计模块，用于设计人员根据用户需求进行并联机器人的理论设计分析；结构设计模块，用于设计人员根据理论分析的结果进行并联机器人的结构设计；模型验证模块，用于设计人员根据结构设计模块所得的三维模型进行并联机器人的运动仿真分析，验证理论机构模型是否与实际机构模型相符；CAE仿真设计模块，用于设计人员根据模型验证模块所确定的三维模型通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口加载到CAE系统中，然后进行CAE仿真分析；机电耦合设计模块，用于设计人员首先结合控制模型库进行并联机器人的控制系统设计，然后再结合CAE仿真设计模块的模型进行机电耦合仿真设计；优化设计模块，用于设计人员针对已经设计出来的并联机器人进行优化设计，以便得到性能最优、成本最低的并联机器人。

所述的概念设计模块，包含有拓扑构型的选择、工作空间的分析、尺度参数的设定、末端运动规律的选择、运动学理论分析、动力学理论分析。

在所述的结构设计模块中，设计人员需要从支撑数据库中的标准件库、常用件库中进行元件选型，然后结合元件选型参数，进行零部件的参数设计，然后进行整机自动装配，再对装配好的整机模型进行静态干涉检查分析；

所述的CAE仿真设计模块，包括影响机器人性能的关键零部件仿真分析、整机全域静刚度仿真分析、整机全域模态仿真分析、整机瞬态动力学仿真分析；

所述的优化设计模块，包括优化目标及指标的设定、试验设计、关键零部件结构优化、控制参数优化、响应面优化设计、灵敏度分析。

在所述的模型验证模块中设计人员还进行驱动参数验证以及动态干涉检查。

一种并联机器人快速开发系统的实现方法，包括如下步骤：

1）设计人员进入并联机器人快速开发系统，根据用户需求通过人机交互载入设计原始参数；

2）进入概念设计模块，结合用户需求，从拓扑构型库选择并联机器人的拓扑构型，再进行工作空间分析，然后确定并联机构的尺度参数；

3）从支撑数据库中的运动规律库中提取一种与用户需求相对应的运动规律，并进行参数设定；

4）根据所选的拓扑构型、尺度参数以及运动规律，首先进行运动学理论分析，得到驱动关节角位移、角速度和角加速度数据，然后进行动力学理论分析，得到驱动力矩、驱动功率数据；

5）进入结构设计模块，根据步骤4）所得的结果，首先从常用件库中进行常用件的选型（S9），这里主要包括伺服电机、减速器的选型，然后从标准件库中进行标准件的选型，这里主要包括丝杠螺母、导轨滑块、轴承的选型；

6）结合选型元件的尺寸参数，在支撑系统中的CAD系统中交互进行零部件的设计，设计完成后进行自动化装配，然后进行静态干涉检查分析，判断装配体是否存在干涉问题，如果是，则会返回到所述的CAD系统中进行装配体模型的手动调整，直到不发生干涉后，才能进入下一个步骤，如果否，则直接进入下一个步骤；

7）进入模型验证模块，结合结构设计模块所设计出的装配体模型，进行运动仿真分析，将得到的末端轨迹和初始设定的理论轨迹进行对比，以验证运动学建模的正确性，然后判断运动仿真得到的末端轨迹是否与理论轨迹相符合，如果是，则会直接进行下一步骤，如果否，则会转向手动查错分析；

8）将运动仿真得到的驱动参数与概念设计模块中理论建模分析的驱动参数进行对比，以进一步验证理论建模的正确性，然后判断运动仿真得到的驱动参数与理论建模分析的驱动参数是否相符，如果是，则会直接进入下一步骤，如果否，则会转向手动查错分析；

9）判断步骤5）所选择的常用件是否满足设计要求，如果否，则返回到步骤5）的常用件的选型中重新进行选型，如果是，则进行动态干涉检查，并判断在运动状态装配体是否存在干涉现象，如果是，则返回到步骤6）零部件设计过程，如果否，则将CAD模型通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口载入到支撑系统中的CAE系统中；

10）进入CAE仿真设计模块，首先对影响机器人性能的关键零部件进行静刚度和模态分析，判断关键零部件的性能是否符合设计要求，如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程，如果是，则进行整机全域静刚度仿真分析，并判断整机全域静刚度是否满足设计要求，如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程，如果是，则继续进行整机全域模态仿真分析，并判断整机全域模态性能是否满足设计要求，如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程，如果是，则继续进行整机瞬态动力学仿真分析，并判断整机瞬态动力学性能是否满足设计要求，如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程，如果是，则继续进入下一步骤；

11）：进入机电耦合设计模块，首先向支撑系统中的CAE系统中加载从支撑数据库中的控制型库中选择的控制模型，然后结合步骤10）中的整机瞬态动力学仿真进行机电耦合仿真分析，并判断整机性能是否满足设计要求，如果否，则修改控制模型的控制参数，然后再重新加载控制模型，如果是，则进行入下一步骤。

12）进入优化设计模块，首先进行优化目标及指标的设定，然后根据设定的目标进行试验设计，接着进行影响机器人性能的关键零部件的结构优化设计，控制参数的优化设计，响应面的优化设计，灵敏度分析，得到优化后的整机模型参数。

13）通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口将优化后的整机模型参数的数据载入到支撑系统中的CAD系统中，并使CAD系统中的参数化模型自动更新，然后退出系统，结束。

本发明的一种并联机器人快速开发系统及方法，能够实现并联机器人的集成化设计，从而在设计过程中可以有效利用已有的设计流程，避免重复不必要的工作，使设计者可以将更多的精力用于产品的创新设计，有效提高并联机器人的研发设计效率和质量。

附图说明

图1是本发明的并联机器人快速开发系统的功能结构图；

图2是本发明的并联机器人快速开发系统的实施方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种并联机器人快速开发系统及方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的一种并联机器人快速开发系统，是基于现有支撑系统，集资源信息管理及智能数据接口，用于并联机器人从用户需求、概念设计、结构设计、控制系统设计、仿真分析、优化设计等完整研发设计过程，具体包括有：

设置有支撑系统1，包括数值计算系统、CAD系统、CAE系统、控制系统，为并联机器人快速开发系统提供设计平台支撑，所述数值计算系统为并联机器人的理论设计计算提供支撑，所述CAD系统为并联机器人的结构设计提供支撑，所述CAE系统为并联机器人的工程仿真分析提供支撑，所述控制系统为并联机器人的控制系统设计以及机电耦合仿真分析提供支撑。

支撑数据库2，用于为系统提供基础支撑，包括拓扑构型库21、标准件库22、常用件库23、零部件库24、运动规律库25、结合面特征库26、控制模型库27。

资源信息管理模块3，包括有数据交换接口和支撑数据库的管理，其中，所述的数据交换接口用于数据库与各个模块之间的数据调用与传递；所述的支撑数据库的管理，用于整个数据库信息的添加、删除、查询、修改，以及设计过程中的版本管理和结果保存。

设计模块4，包括有：概念设计模块41、结构设计模块42、模型验证模块43、CAE仿真设计模块44、机电耦合设计模块45和优化设计模块46。其中，

所述的概念设计模块41，用于设计人员根据用户需求进行并联机器人的理论设计分析，该模块包含有拓扑构型的选择、工作空间的分析、尺度参数的设定、末端运动规律的选择、运动学理论分析、动力学理论分析。

所述的结构设计模块42，用于设计人员根据理论分析的结果进行并联机器人的结构设计。设计人员需要从支撑数据库2中的标准件库22、常用件库23中进行元件选型，然后结合元件选型参数，进行零部件的参数设计，然后进行整机自动装配，再对装配好的整机模型进行静态干涉检查分析。

所述的模型验证模块43，用于设计人员根据结构设计模块42所得的三维模型进行并联机器人的运动仿真分析，验证理论机构模型是否与实际机构模型相符，在该模型验证模块43中设计人员还可以进行驱动参数验证以及动态干涉检查。

所述的CAE仿真设计模块44，用于设计人员根据模型验证模块43所确定的三维模型通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口加载到CAE系统中，然后进行CAE仿真分析，包括影响机器人性能的关键零部件仿真分析、整机全域静刚度仿真分析、整机全域模态仿真分析、整机瞬态动力学仿真分析；

所述的机电耦合设计模块45，用于设计人员首先结合控制模型库27进行并联机器人的控制系统设计，然后再结合CAE仿真设计模块44的模型进行机电耦合仿真设计；

所述的优化设计模块46，用于设计人员针对已经设计出来的并联机器人进行优化设计，以便得到性能最优、成本最低的并联机器人，包括优化目标及指标的设定、试验设计、关键零部件结构优化、控制参数优化、响应面优化设计、灵敏度分析。

本发明的一种并联机器人快速开发系统，最终生成有：CAD整机模型、驱动参数、仿真数据、优化结果和中间文件。

如图2所示，本发明的并联机器人快速开发系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）设计人员进入并联机器人快速开发系统（S1），根据用户需求通过人机交互载入设计原始参数（S2）；

2）进入概念设计模块（41），结合用户需求，从拓扑构型库（21）选择并联机器人的拓扑构型（S3），再进行工作空间分析（S4），然后确定并联机构的尺度参数（S5）；

3）从支撑数据库（2）中的运动规律库（25）中提取一种与用户需求相对应的运动规律，并进行参数设定（S6）；

4）根据所选的拓扑构型、尺度参数以及运动规律，首先进行运动学理论分析（S7），得到驱动关节角位移、角速度和角加速度数据，然后进行动力学理论分析（S8），得到驱动力矩、驱动功率数据；

5）进入结构设计模块（42），根据步骤4）所得的结果，首先从常用件库（23）中进行常用件的选型（S9），这里主要包括伺服电机、减速器的选型，然后从标准件库（22）中进行标准件的选型（S10），这里主要包括丝杠螺母、导轨滑块、轴承的选型；

6）结合选型元件的尺寸参数，在支撑系统（1）中的CAD系统中交互进行零部件的设计（S11），设计完成后进行自动化装配（S12），然后进行静态干涉检查分析（S13），判断装配体是否存在干涉问题（S14），如果是，则会返回到所述的CAD系统中进行装配体模型的手动调整（S14），直到不发生干涉后，才能进入下一个步骤，如果否，则直接进入下一个步骤；

7）进入模型验证模块（43），结合结构设计模块（42）所设计出的装配体模型，进行运动仿真分析（S16），将得到的末端轨迹和初始设定的理论轨迹进行对比，以验证运动学建模的正确性（S17），然后判断运动仿真得到的末端轨迹是否与理论轨迹相符合（S18），如果是，则会直接进行下一步骤，如果否，则会转向手动查错分析（S19）；

8）将运动仿真得到的驱动参数与概念设计模块（41）中理论建模分析的驱动参数进行对比，以进一步验证理论建模的正确性（S20），然后判断运动仿真得到的驱动参数与理论建模分析的驱动参数是否相符（S21），如果是，则会直接进入下一步骤，如果否，则会转向手动查错分析（S19）；

9）判断步骤5）所选择的常用件是否满足设计要求（S22），如果否，则返回到步骤5）的常用件的选型（S9）中重新进行选型，如果是，则进行动态干涉检查（S23），并判断在运动状态装配体是否存在干涉现象（S24），如果是，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11）对零部件进行修改，如果否，则将CAD模型通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口（S25）载入到支撑系统（1）中的CAE系统中；

10）进入CAE仿真设计模块（44），首先对影响机器人性能的关键零部件进行静刚度和模态分析（S26），判断关键零部件的性能是否符合设计要求（S27），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11）对零部件进行修改，如果是，则进行整机全域静刚度仿真分析（S28），并判断整机全域静刚度是否满足设计要求（S29），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11）对零部件进行修改，如果是，则继续进行整机全域模态仿真分析（S30），并判断整机全域模态性能是否满足设计要求（S31），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11）对零部件进行修改，如果是，则继续进行整机瞬态动力学仿真分析（S32），并判断整机瞬态动力学性能是否满足设计要求（S33），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11）对零部件进行修改，如果是，则继续进入下一步骤；

11）：进入机电耦合设计模块（45），首先向支撑系统（1）中的CAE系统中加载从支撑数据库（2）中的控制型库（27）中选择的控制模型（S34），然后结合步骤10）中的整机瞬态动力学仿真（S32）进行机电耦合仿真分析（S35），并判断整机性能是否满足设计要求（S36），如果否，则修改控制模型的控制参数（S37），然后再重新加载控制模型（S34），如果是，则进行入下一步骤。

12）进入优化设计模块（46），首先进行优化目标及指标的设定（S38），然后根据设定的目标进行试验设计（S39），接着进行影响机器人性能的关键零部件的结构优化设计（S40），控制参数的优化设计（S41），响应面的优化设计（S42），灵敏度分析（S43），得到优化后的整机模型参数（S44）。

13）通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口（S45）将优化后的整机模型参数（S44）的数据载入到支撑系统（1）中的CAD系统中，并使CAD系统中的参数化模型自动更新（S46），然后退出系统，结束。

Claims (7)

1.一种并联机器人快速开发系统，设置有支撑系统（1），包括数值计算系统、CAD系统、CAE系统、控制系统，为并联机器人快速开发系统提供设计平台支撑，所述数值计算系统为并联机器人的理论设计计算提供支撑，所述CAD系统为并联机器人的结构设计提供支撑，所述CAE系统为并联机器人的工程仿真分析提供支撑，所述控制系统为并联机器人的控制系统设计以及机电耦合仿真分析提供支撑；其特征在于，还包括有： 

支撑数据库（2），用于为系统提供基础支撑，包括拓扑构型库（21）、标准件库（22）、常用件库（23）、零部件库（24）、运动规律库（25）、结合面特征库（26）、控制模型库（27）； 

资源信息管理模块（3），包括有数据交换接口和支撑数据库的管理，其中，所述的数据交换接口用于数据库与各个模块之间的数据调用与传递；所述的支撑数据库的管理，用于整个数据库信息的添加、删除、查询、修改，以及设计过程中的版本管理和结果保存； 

设计模块（4），包括有：概念设计模块（41），用于设计人员根据用户需求进行并联机器人的理论设计分析；结构设计模块（42），用于设计人员根据理论分析的结果进行并联机器人的结构设计；模型验证模块（43），用于设计人员根据结构设计模块（42）所得的三维模型进行并联机器人的运动仿真分析，验证理论机构模型是否与实际机构模型相符；CAE仿真设计模块（44），用于设计人员根据模型验证模块（43）所确定的三维模型通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口加载到CAE系统中，然后进行CAE仿真分析；机电耦合设计模块（45），用于设计人员首先结合控制模型库（27）进行并联机器人的控制系统设计，然后再结合CAE仿真设计模块（44）的模型进行机电耦合仿真设计；优化设计模块（46），用于设计人员针对已经设计出来的并联机器人进行优化设计，以便得到性能最优、成本最低的并联机器人。 

2.根据权利要求1所述的一种并联机器人快速开发系统，其特征在于，所述的概念设计模块（41），包含有拓扑构型的选择、工作空间的分析、尺度参数的设定、末端运动规律的选择、运动学理论分析、动力学理论分析。 

3.根据权利要求1所述的一种并联机器人快速开发系统，其特征在于，在所述的结构设计模块（42）中，设计人员需要从支撑数据库（2）中的标准件库（22）、常用件库（23）中进行元件选型，然后结合元件选型参数，进行零部件的参数设计，然后进行整机自动装配，再对装配好的整机模型进行静态干涉检查分析。 

4.根据权利要求1所述的一种并联机器人快速开发系统，其特征在于，所述的CAE仿真设计模块（44），包括影响机器人性能的关键零部件仿真分析、整机全域静刚度仿真分析、整机全域模态仿真分析、整机瞬态动力学仿真分析。

5.根据权利要求1所述的一种并联机器人快速开发系统，其特征在于，所述的优化设计模块（46），包括优化目标及指标的设定、试验设计、关键零部件结构优化、控制参数优化、响应面优化设计、灵敏度分析。 

6.根据权利要求1所述的一种并联机器人快速开发系统，其特征在于，在所述的模型验证模块（43）中设计人员还进行驱动参数验证以及动态干涉检查。 

7.一种权利要求1～6中任一项所述的并联机器人快速开发系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1）设计人员进入并联机器人快速开发系统（S1），根据用户需求通过人机交互载入设计原始参数（S2）； 

2）进入概念设计模块（41），结合用户需求，从拓扑构型库（21）选择并联机器人的拓扑构型（S3），再进行工作空间分析（S4），然后确定并联机构的尺度参数（S5）； 

3）从支撑数据库（2）中的运动规律库（25）中提取一种与用户需求相对应的运动规律，并进行参数设定（S6）； 

4）根据所选的拓扑构型、尺度参数以及运动规律，首先进行运动学理论分析（S7），得到驱动关节角位移、角速度和角加速度数据，然后进行动力学理论分析（S8），得到驱动力矩、驱动功率数据； 

5）进入结构设计模块（42），根据步骤4）所得的结果，首先从常用件库（23）中进行常用件的选型（S9），这里主要包括伺服电机、减速器的选型，然后从标准件库（22）中进行标准件的选型（S10），这里主要包括丝杠螺母、导轨滑块、轴承的选型； 

6）结合选型元件的尺寸参数，在支撑系统（1）中的CAD系统中交互进行零部件的设计（S11），设计完成后进行自动化装配（S12），然后进行静态干涉检查分析（S13），判断装配体是否存在干涉问题（S14），如果是，则会返回到所述的CAD系统中进行装配体模型的手动调整（S14），直到不发生干涉后，才能进入下一个步骤，如果否，则直接进入下一个步骤； 

7）进入模型验证模块（43），结合结构设计模块（42）所设计出的装配体模型，进行运动仿真分析（S16），将得到的末端轨迹和初始设定的理论轨迹进行对比，以验证运动学建模的正确性（S17），然后判断运动仿真得到的末端轨迹是否与理论轨迹相符合（S18），如果是，则会直接进行下一步骤，如果否，则会转向手动查错分析（S19）； 

8）将运动仿真得到的驱动参数与概念设计模块（41）中理论建模分析的驱动参数进行对比，以进一步验证理论建模的正确性（S20），然后判断运动仿真得到的驱动参数与理论建模分析的驱动参数是否相符（S21），如果是，则会直接进入下一步骤，如果否，则会转向手动查错分析（S19）； 

9）判断步骤5）所选择的常用件是否满足设计要求（S22），如果否，则返回到步骤5）的常用件的选型（S9）中重新进行选型，如果是，则进行动态干涉检查（S23），并判断在运动状态装配体是否存在干涉现象（S24），如果是，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11），如果否，则将CAD模型通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口（S25）载入到支撑系统（1）中的CAE系统中； 

10）进入CAE仿真设计模块（44），首先对影响机器人性能的关键零部件进行静刚度和模态分析（S26），判断关键零部件的性能是否符合设计要求（S27），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11），如果是，则进行整机全域静刚度仿真分析（S28），并判断整机全域静刚度是否满足设计要求（S29），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11），如果是，则继续进行整机全域模态仿真分析（S30），并判断整机全域模态性能是否满足设计 要求（S31），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11），如果是，则继续进行整机瞬态动力学仿真分析（S32），并判断整机瞬态动力学性能是否满足设计要求（S33），如果否，则返回到步骤6）零部件设计过程（S11），如果是，则继续进入下一步骤； 

11）：进入机电耦合设计模块（45），首先向支撑系统（1）中的CAE系统中加载从支撑数据库（2）中的控制型库（27）中选择的控制模型（S34），然后结合步骤10）中的整机瞬态动力学仿真（S32）进行机电耦合仿真分析（S35），并判断整机性能是否满足设计要求（S36），如果否，则修改控制模型的控制参数（S37），然后再重新加载控制模型（S34），如果是，则进行入下一步骤。 

12）进入优化设计模块（46），首先进行优化目标及指标的设定（S38），然后根据设定的目标进行试验设计（S39），接着进行影响机器人性能的关键零部件的结构优化设计（S40），控制参数的优化设计（S41），响应面的优化设计（S42），灵敏度分析（S43），得到优化后的整机模型参数（S44）。 

13）通过所述的数据交换接口中的CAD/CAE系统数据接口（S45）将优化后的整机模型参数（S44）的数据载入到支撑系统（1）中的CAD系统中，并使CAD系统中的参数化模型自动更新（S46），然后退出系统，结束。 

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