[发明专利]一种轻量化机械臂的统一设计方法

权利要求书

1.一种轻量化机械臂的统一设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.结构优化：对机械臂尺寸进行初步定位，建立三维模型，将三维模型导入有限元中，定义优化目标函数、设计变量、约束条件的初始值，并基于二次拉格朗日算法完成结构的首次优化，根据优化结果对设计变量与目标函数进行更新；

S2.驱动系统设计：将完成结构优化后更新得到的自变量与目标函数作为机械臂驱动系统的初始数据，在ADAMS中对驱动系统进行动态仿真与分析，完成驱动系统的设计，并根据设计结果进一步更新设计变量与目标函数；所述的步骤S2具体过程包含：

S21.将结构优化后更新得到的设计变量与目标函数作为设计机械臂驱动系统的初始设计变量与目标函数，在动态模型中假定关节参数为常数，在ADAMS中对驱动系统进行动力学建模，动态分析；

S22.从实际情况出发，利用机械臂在空间中预定的行驶轨迹与速度及机械臂能够搬运的最大负载进行动态模拟，获得完成这个过程驱动系统所需的力矩；

S23.根据功率密度图中所表示的每个驱动系统所需力矩与质量的关系求取每个驱动系统的质量；

S24.将得到的驱动系统的质量与驱动力矩对驱动系统中包含的电机进行重新选型、减速器重新设计，完成之后，将设计变量与目标函数中与驱动系统相关的部分进行更新；

S3.优化结果判断：将步骤S2中得到的设计变量与目标函数与步骤S1中的初始值进行比较，判断结果是否满足要求，如果不满足，将步骤S2得到的设计变量与目标函数作为步骤S1中的初始值，继续步骤S1、S2和S3，直到满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化机械臂的统一设计方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包含：

S11.在结构设计软件中建立初始机械臂的三维模型，初步确定机械臂的结构尺寸和驱动系统数据；

S12.定义机械臂优化目标函数和设计变量；

S13.将三维模型导入到有限元中，在有限元中对导入的机械臂模型进行约束设置，并根据实际情况对机械臂所能承受的最大负载进行设定；

S14.在有限元中对收敛条件进行设置，然后基于二次拉格朗日算法进行非线性编程实现机械臂结构的首次优化；

S15.根据首次优化后的机械臂的结构尺寸，对目标函数与设计变量中相关部分更新替换，得到新的设计变量与目标函数。

3.根据权利要求2所述的一种轻量化机械臂的统一设计方法，其特征在于：步骤S12中所述的目标函数包含结构和驱动系统互相独立的两部分。

4.根据权利要求3所述的一种轻量化机械臂的统一设计方法，其特征在于：所述的步骤S3具体过程包含：

将步骤S2中更新得到的目标函数与步骤S1中目标函数的初始值进行比较作差，看其偏差是否在允许范围内，如果符合要求，则结束优化过程，反之，则将步骤S2中得到的设计变量与目标函数作为步骤S1中的初始值，继续进行结构优化、驱动系统设计和优化结果判断这个过程，直到优化结果满足要求为止。