串聯機器人結構設計優化方法
2023-09-19 00:31:30 1
專利名稱：串聯機器人結構設計優化方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人結構設計。特別是涉及一種採用有限元和模態分析機器人結構的串聯機器人結構設計優化方法。
背景技術：
近年來，由於人力成本不斷上升，很多企業都在尋求使用工業機器人來代替人工，同時，很多人類無法完成工作的行業和危險性較高的行業都需要機器人來代替人工來完成。機器人的結構不僅會影響到機器人的運動學和動力學的特性，甚至還會影響到機器人的控制方面的特性，因此，機器人的結構設計和優化問題尤為重要，結構優化的目標無外乎是用最低的成本達到設計的要求。由於工業機器人的工作環境較為惡劣和複雜，振動和噪聲的影響不能忽略不計，因此串聯機器人的結構不僅僅要滿足自身強度的要求，還要考慮其共振、疲勞等因素。可以通過了解機器人的固有頻率和陣型，來避免機器人工作中因共振因素造成的不必要的損失。目前的機器人結構優化主要存在以下的問題I、採用傳統的材料力學分析方法，通過簡化模型和憑藉經驗公式來優化模型，雖然這種方法實踐證明具有一定的可靠性，但是有時忽略了現實中很多重要的條件，不能全面的反映應力狀態。2、藉助優化算法，建立目標函數，設定約束條件，通過算法的計算產生最優的解集，這種方式多為是理論上最優解，現實中往往難以達到。3、利用有限元軟體時，對網絡劃分的依賴性較高，優化的精度取決於網格的稀疏度及網格分布的優劣程度。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種結合有限元分析和模態分析的高效、可行的串聯機器人結構設計優化方法。本發明所採用的技術方案是一種串聯機器人結構設計優化方法，包括如下步驟(I)將機器人的結構根據自由度數和傳動結構分為多個模塊；(2)對各個模塊進行初次設計，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動方式；(3)對步驟(2)初次設計的機器人結構進行有限元分析，通過該機器人的強度、剛度和固有頻率的要求來優化結構；(4)針對步驟(3)中的分析結果，判斷機器人結構的各個模塊是否滿足剛度的需要，如果滿足直接進入步驟￠)中，若不滿足則進入步驟(5)中進行再次設計；(5)在再次設計中，如果有隻需要局部修改的地方修改設計後返回步驟(3)的再次利用有限元軟體simulation進行分析中；如果有需要整體修改的返回到步驟(2)中；(6)對機器人進行整機簡化後，進行模態分析；、
(7)對陣型和頻率進行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，返回到步驟(5)進行再設計，若滿足，則設計完成。
步驟(I)所述的多個模塊包括有底座、基座、轉臺、擺臂、小臂和關節頂這六個模塊。步驟(3)所述的進行有限元分析包括如下3步a)利用軌跡優化求出機器人從始點到終點的運動軌跡，即機器人運動過程中各個關節的角速度變化值，將求得的數值保存為txt格式存儲起來；b)將a)步中求出的角速度變化值導入到仿真軟體motion中，在仿真軟體motion中設置約束、接觸和引力來模擬現實的環境，從而生成各個部件在工作過程受力情況；c)利用有限元軟體simulation進行分析,設定約束、添加力和劃分網格,運行出結果，通過觀察分析結果的應力值，得到部件剛度強度分布的情況。步驟(6)所述的對機器人進行整機簡化後，進行模態分析是，在有限元軟體simulation中生成頻率算例，求出機器人的固有頻率和陣型，從陣型和固有頻率得出機器人結構中需要需改進的部分，進行再設計。本發明的串聯機器人結構設計優化方法，採用有限元和模態分析機器人結構取代傳統的經驗方法和單純的強度校核方法，大大的提高了分析的準確性。本發明先是對機器人的各個部件的進行優化，使其以最小的成本達到強度的要求，然後對整機進行模態分析，通過陣型可以看到機器人各個傳動關節的剛度的境況。這樣既達到了機器人結構各部件的強度，又達到了傳動關節的剛度要求，使機器人結構達到最優化。本發明通過對機器人結構有限元和模態分析，原材料和成本的最小消耗來達到機器人的強度和剛度的要求。
圖I是本發明串聯機器人結構設計優化方法和流程圖；圖2是採用本發明的方法分析應力結果的效果圖；圖3是採用本發明的方法分析機器人得到的機器人前六階模態陣型的效果圖其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別對應機器人前6階的陣型。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明的串聯機器人結構設計優化方法做出詳細說明。如圖I所示，本發明的串聯機器人結構設計優化方法，包括如下步驟(I)將機器人的結構根據自由度數和傳動結構分為多個模塊，包括有底座、基座、轉臺、擺臂、小臂和關節頂六個模塊；(2)對各個模塊進行初次設計，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動方式；(3)對步驟(2)初次設計的機器人結構進行有限元分析，通過該機器人的強度、剛度和固有頻率的要求來優化結構；所述的進行有限元分析包括如下3步a)利用軌跡優化求出機器人從始點到終點的運動軌跡，即機器人運動過程中各個關節的角速度變化值，將求得的數值保存為txt格式存儲起來；b)將a)步中求出的角速度變化值導入到仿真軟體motion中，在仿真軟體motion中設置約束、接觸和引力來模擬現實的環境，從而生成各個部件在工作過程受力情況；
c)利用有限元軟體simulation進行分析，設定約束、添加力和劃分網格，運行出結果，通過觀察分析結果的應力值，得到部件剛度強度分布的情況。(4)針對步驟(3)中的分析結果，判斷機器人結構的各個模塊是否滿足剛度的需要，如果滿足直接進入步驟￠)中，若不滿足則進入步驟(5)中進行再次設計；(5)在再次設計中，如果有隻需要局部修改的地方修改設計後返回步驟(3)的再次利用有限元軟體simulation進行分析中；如果有需要整體修改的返回到步驟(2)中；(6)對機器人進行整機簡化後，進行模態分析；所述的對機器人進行整機簡化後，進行模態分析是，在有限元軟體simulation中生成頻率算例，求出機器人的固有頻率和陣型，從陣型和固有頻率得出機器人結構中需要需改進的部分，進行再設計。(7)對陣型和頻率進行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，返回到步驟(5)進行再設計，若滿足，則設計完成。下面具體說明本發明的串聯機器人結構設計優化方法。根據串聯機器人結構和傳動的特點，將機器人結構分為底座、基座、轉臺、擺臂、小臂和關節頂這六個模塊。進行模塊結構的初次設計，初步確定各個模塊的形狀、厚度和傳動方式。在motion仿真軟體中，選擇motion算例後添加六自由度串聯機器人的六個馬達，設定轉動方向，轉動的角速度利用插值法導入用matlab規劃好的軌跡角速度值，設定整個環境的引力值和方向來模擬現實環境中的重力場，添加接觸約束，來規避機器人部件在運動過程中碰撞的現象。模擬從始點到終點的運動過程後，可以將各個部件的受力情況列出圖表。下表I為通過仿真測量出來的機器人主要部件的受力情況。表I主要部件受力列表
權利要求
1.一種串聯機器人結構設計優化方法，其特徵在於，包括如下步驟 (1)將機器人的結構根據自由度數和傳動結構分為多個模塊； (2)對各個模塊進行初次設計，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動方式； (3)對步驟(2)初次設計的機器人結構進行有限元分析，通過該機器人的強度、剛度和固有頻率的要求來優化結構； (4)針對步驟(3)中的分析結果，判斷機器人結構的各個模塊是否滿足剛度的需要，如果滿足直接進入步驟出)中，若不滿足則進入步驟(5)中進行再次設計； (5)在再次設計中，如果有隻需要局部修改的地方修改設計後返回步驟(3)的再次利用有限元軟體simulation進行分析中；如果有需要整體修改的返回到步驟(2)中； (6)對機器人進行整機簡化後，進行模態分析； (7)對陣型和頻率進行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，返回到步驟(5)進行再設計，若滿足，則設計完成。
2.根據權利要求I所述的串聯機器人結構設計優化方法，其特徵在於，步驟(I)所述的多個模塊包括有底座、基座、轉臺、擺臂、小臂和關節頂這六個模塊。
3.根據權利要求I所述的串聯機器人結構設計優化方法，其特徵在於，步驟(3)所述的進行有限元分析包括如下3步 a)利用軌跡優化求出機器人從始點到終點的運動軌跡，即機器人運動過程中各個關節的角速度變化值，將求得的數值保存為txt格式存儲起來； b)將a)步中求出的角速度變化值導入到仿真軟體motion中，在仿真軟體motion中設置約束、接觸和引力來模擬現實的環境，從而生成各個部件在工作過程受カ情況； c)利用有限元軟體simulation進行分析，設定約束、添加力和劃分網格，運行出結果，通過觀察分析結果的應カ值，得到部件剛度強度分布的情況。
4.根據權利要求I所述的串聯機器人結構設計優化方法，其特徵在於，步驟(6)所述的對機器人進行整機簡化後，進行模態分析是，在有限元軟體simulation中生成頻率算例，求出機器人的固有頻率和陣型，從陣型和固有頻率得出機器人結構中需要需改進的部分，進行再設計。
全文摘要
一種串聯機器人結構設計優化方法將機器人的結構根據自由度數和傳動結構分為多個模塊；對各個模塊進行初次設計，即初步確定模塊的形狀、厚度和傳動方式；對初次設計的機器人結構進行有限元分析，通過該機器人的強度、剛度和固有頻率的要求來優化結構；判斷機器人結構的各個模塊是否滿足剛度的需要，滿足繼續，否則進行再次設計；對機器人進行整機簡化後，進行模態分析；對陣型和頻率進行分析，有不滿足頻率和陣型要求的地方，進行再次設計，若滿足，則設計完成。本發明採用有限元和模態分析機器人結構取代傳統的經驗方法和單純的強度校核方法，大大的提高了分析的準確性。通過對機器人結構有限元和模態分析，原材料和成本的最小消耗來達到機器人的強度和剛度的要求。
文檔編號G06F17/50GK102637228SQ20121009834
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月5日 優先權日2012年4月5日
發明者丁彥玉, 劉振忠, 王太勇, 王潤, 邵明堃 申請人:天津大學