[发明专利]一种轻量化机械臂的统一设计方法

说明书

本发明公开了一种轻量化机械臂的统一设计方法，在有限元中进行机械臂的结构优化得到新的结构参数，将优化结果应用于驱动系统的设计中，完成驱动系统在ADAMS中的动态分析，更新关节参数，将更新后的结果反馈给结构设计模块进一步优化结构参数，重复进行这个过程直到满足设计要求为止。此设计方法在优化过程中建立结构设计和驱动系统两个模块之间的联系，从全局把控机械臂的组成元素，寻求最优结果，实现机械臂的轻量化，其准确性高，优化效果好。

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种轻量化机械臂的统一设计方法。

背景技术

大多数现有的机械臂有明显缺点：负载自重比小、结构笨重、高功耗等。而在高性能和特殊的任务中要求具有轻量化的机械臂，比如空间操纵。为了解决上面的问题，许多研究人员推出了机械臂的轻量化设计，这是一个复杂的系统包括驱动系统设计、结构设计、动态控制等。

驱动系统在机械臂的质量分布上占居很大比例，所以一些研究人员对构成驱动系统的电机和齿轮进行轻量化设计以此来实现机械臂的轻量化，然而这些研究仅从驱动系统出发，没有考虑机械臂的结构。另一些研究则是从机械臂的结构出发，利用有限元对机械臂的拓扑结构进行优化设计，从而提高机械臂轻量化程度。然而仅从驱动系统或者拓扑结构这样单一的角度出发，忽略驱动系统和结构的相互影响，往往并不能使机械臂的优化达到到最优效果。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了从全局把控机械臂的组成元素、优化效果最佳的轻量化机械臂的统一设计方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的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；

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。

进一步地，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。

跟进一步地，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。

再进一步地，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；