[发明专利]基于代理模型的被动柔顺机械手腕设计方法

说明书

一种基于代理模型的被动柔顺机械手腕设计方法。先使用SolidWorks设计出柔顺机械手腕的基础模型：一个中间弯曲部呈蝴蝶结状的倒U形弹性薄板。在SolidWorks建立参数化模型的模块；然后，在此模块的基础上用APDL语言编写参数化模型生产程序和参数化静力学分析程序。并加载仿真生成若干条参数‑载荷‑形变之间对应关系的样本，利用神经网络训练的办法，形成参数‑载荷‑形变之间的普遍规律，该规律以数学模型的方式呈现，即为代理模型。通过此模型导入需要的载荷和形变即可预测出柔顺机械手腕的尺寸参数，将该尺寸参数导入SolidWorks的参数化模型的模块便可建立出预测的三维模型；这样依据该方法能够进行科学化和自动化的柔顺机械手腕三维设计。

技术领域

本发明涉及机器人用柔性构件的自动化设计的技术领域，具体为基于代理模型的被动柔顺机械手腕设计方法。

背景技术

在易碎件的装配过程中，由于工件相互作用之间存在位姿与形貌偏差，“硬”的施力作业极有可能产生易碎件的压碎问题(如图2中1是机械手中的刚性手腕、2是机械臂、3是机械手、4是由于错误转配作业导致损坏的工件、5是转配体)。该问题关系到作业机械手的工作成败。针对这一问题，在机械手的构型中引入被动柔顺的结构与策略。其中的被动柔顺结构一端在受力后产生相对于另一端快速响应与微调节，使系统具有一定的柔顺性和容错性（如图3中，4对应的抓取的工件完好无损的安装到转配体的对应位置）。

本项目设计的柔顺机构是用柔性关节替代传统刚性机构中的运动副，利用自身柔性构件的弹性变形来转换力、运动或能量。柔顺机构具有结构简单、无摩擦磨损、微型化、高精度等优点，被广泛应用。

目前国内外对柔顺机构的研究理论有很多，比如拟刚体模型(PRBM)、梁约束模型(BCM)、多重分段法、势能最小化法、卡氏第二定理、弹性梁理论、螺旋理论和柔度矩阵法等方法。

训练好的神经网络系统类似一个“黑箱子”，即黑箱方法。黑箱方法注重整体和功能，兼有抽象方法和模型方法的特征，通过外部观测和试验，建立输入(柔顺机械手腕所受的载荷和形变)与输出(柔顺机械手腕的结构参数)信息之间的关系，去推断“黑箱”的功能和特性，从而探索出其结构和机理，弄清其全部运动规律。因此，即使我们不清楚“黑箱”的内部结构，仅注意到它对于信息刺激作出如何的反应，注意到它的输入(柔顺机械手腕所受的载荷和形变)与输出(柔顺机械手腕的尺寸参数)关系，就可应用它进行反向的自动化的柔顺机械手腕的结构设计。

发明内容

本发明提出一种基于代理模型的被动柔顺机械手腕设计方法，该方法包括如下步骤：

S1：应用SolidWorks软件设计柔顺机械手腕的形状，确定柔顺机械手腕的基础三维模型；该柔顺机械手腕整体呈倒U形的一体弯曲板状结构，两侧为方形平板；上部U形弯曲部的中间为较窄的虚拟铰接点，从该铰接点向两侧逐步向下弯曲并变宽呈蝴蝶结状；

S2：根据S1设计的柔顺机械手腕的基础三维模型，利用SolidWorks软件的二次开发技术建立参数化驱动的柔顺机械手腕模型的生成程序；具体参数选用两方形平板内表面间距A、弯曲部的内圆弧面高度B、板材的厚度C、平板部的高度D、平板部的宽度E、和弯曲部虚拟铰接点两侧到边沿的切除宽度H的尺寸参数；

S3：根据S2中的参数化驱动的柔顺机械手腕的建模过程规律，在ANSYS软件中用APDL语言编写柔顺机械手腕的参数化模型生成程序，并利用参数化模型生成程序的生成参数化模型，

S4：在S3的参数化模型的基础上，在ANSYS软件中用APDL语言编写柔顺机械手腕的静力学分析程序；

S5：将S3的生成参数化模型，在ANAYS软件中应用静力学分析程序实施静力学分析，将柔顺机械手腕一个平板部设为固定，在另一自由平板部外表面中心加载载荷，载荷为X、Y、Z三个方形的力和扭矩，并将得到的形变结果与柔顺机械手腕的尺寸参数和柔顺机械手腕载荷作为数据逐条保存到文档中；