工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)研究

葛 昕，尹作重，羅振軍，王培剛，趙 超

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120；2.杭州娃哈哈精密機(jī)械有限公司，杭州 310000；3.山東山大華天軟件有限公司，濟(jì)南 250101）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人的傳統(tǒng)設(shè)計方法采用串聯(lián)和反復(fù)的流程，其主要步驟包含任務(wù)分析、技術(shù)調(diào)研、方案評審、計算選型、繪制草圖、草圖評審、機(jī)械設(shè)計、圖紙審核、工業(yè)機(jī)器人試制、檢驗(yàn)等十個階段。工業(yè)機(jī)器人的傳統(tǒng)設(shè)計方法與復(fù)雜機(jī)電設(shè)備的設(shè)計流程基本相符，主要存在的問題如下：在設(shè)計階段缺乏靜力學(xué)、動力學(xué)等方面的仿真分析和模型驗(yàn)證；在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計研發(fā)過程中，產(chǎn)品的質(zhì)量跟設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)和水平密切相關(guān)；正向設(shè)計效率不高。

國際上工業(yè)機(jī)器人CAD/CAE開發(fā)設(shè)計軟件，根據(jù)對用戶自主二次開發(fā)支持的程度不同，主要分成開放型、中間型和封閉型。一些開源軟件平臺采用完全開放的商業(yè)模式，例如Salome等采用GPL授權(quán)；而商用CAD/CAE公司則采取比較封閉的模式，用戶擴(kuò)展的空間非常有限；基于Modelica的CAD/CAE軟件采用中間型模式，即部分功能的二次開發(fā)完全開放，而部分功能可以通過加密進(jìn)行保護(hù)。

由于國內(nèi)的汽車、發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵行業(yè)和領(lǐng)域的市場長期被UGNX、CATIA、PRO/E等歐美軟件廠商所壟斷，這直接導(dǎo)致國產(chǎn)三維CAD系統(tǒng)的市場份額較小，發(fā)展相對緩慢。同時我國航天、軍工等企業(yè)受到國外高端CAD/CAM軟件的限制或封鎖，國外CAD軟件限制訪問底層模型，致使國內(nèi)企業(yè)難以將制造技術(shù)軟件化。

隨著“十一五”、“十二五”期間國家對三維CAD技術(shù)的大力支持，多家軟件企業(yè)已經(jīng)掌握了三維CAD系統(tǒng)的內(nèi)核或源代碼，基礎(chǔ)功能得到鞏固，在軟件的易用性、可定制性、維護(hù)服務(wù)等方面具有國外軟件所不能比擬的優(yōu)勢，這為發(fā)展國產(chǎn)高端CAD系統(tǒng)提供了重要契機(jī)。因此，為提高我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品創(chuàng)新能力，急需在國產(chǎn)CAD內(nèi)核的基礎(chǔ)上，積極研究并開發(fā)具有中國特色的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計開發(fā)平臺，著力解決機(jī)器人本體優(yōu)化設(shè)計及系統(tǒng)集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，打破國外軟件在工業(yè)機(jī)器人高端市場的壟斷。

工業(yè)機(jī)器人設(shè)計研發(fā)平臺是以高速、高精、重載等高性能工業(yè)機(jī)器人發(fā)展需求為牽引，以三維計算機(jī)輔助設(shè)計建模（CAD）以及運(yùn)動學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計仿真分析（CAE）算法等為核心工具，攻克工業(yè)機(jī)器人建模和仿真、動力學(xué)仿真設(shè)計、高性能幾何造型內(nèi)核、知識驅(qū)動的設(shè)計導(dǎo)航等系列核心技術(shù)的基于CAD/CAE技術(shù)融合的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計平臺，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計研發(fā)平臺針對目前工業(yè)機(jī)器人開發(fā)周期長、設(shè)計研發(fā)集成水平不高、研發(fā)關(guān)鍵流程不連續(xù)的現(xiàn)狀，彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計方法的不足，提高工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的研發(fā)效率，進(jìn)一步提升我國工業(yè)機(jī)器人正向設(shè)計能力。

本文圍繞著工業(yè)機(jī)器人正向設(shè)計研發(fā)的需求，基于先進(jìn)的計算機(jī)輔助設(shè)計、靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析軟件，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計平臺的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計流程中的具體特點(diǎn)，對工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計平臺設(shè)計流程、參考體系結(jié)構(gòu)、平臺集成數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行了研究，并提出了機(jī)器人設(shè)計平臺的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，該方案覆蓋了工業(yè)機(jī)器人設(shè)計過程用戶需求分析、概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型驗(yàn)證、仿真分析等多個關(guān)鍵步驟，該平臺方案可以提高工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計過程的數(shù)字化和智能化程度，對于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計開發(fā)平臺研發(fā)過程具有參考作用。

圖1 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺的設(shè)計流程

1 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺系統(tǒng)設(shè)計流程

通過對工業(yè)機(jī)器人本體生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)研工作，并結(jié)合國內(nèi)外機(jī)器人數(shù)字化平臺的現(xiàn)狀，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺的流程包含有7個關(guān)鍵階段，這7個關(guān)鍵階段包括用戶需求分析階段、產(chǎn)品概念設(shè)計階段、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段、數(shù)字模型驗(yàn)證階段、計算機(jī)輔助仿真階段、機(jī)電耦合設(shè)計階段、優(yōu)化設(shè)計階段[1]，如圖1所示。下面對這7個關(guān)鍵階段進(jìn)行描述。

1）用戶需求分析階段

在本階段，主要是對用戶的需求進(jìn)行分析，設(shè)定機(jī)器人的基本性能參數(shù)，比如要確定工作空間的大小，明確機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)律，確定機(jī)器人的負(fù)載能力，設(shè)定機(jī)器人的精度、靈活性要求等內(nèi)容。這些內(nèi)容明確后，將這些性能參數(shù)作為下一個階段的輸入條件，進(jìn)入下一個設(shè)計階段。

2）產(chǎn)品概念設(shè)計階段

在產(chǎn)品概念設(shè)計階段，主要內(nèi)容是進(jìn)行理論建模，并規(guī)劃運(yùn)動軌跡，進(jìn)一步設(shè)定運(yùn)動規(guī)律，并根據(jù)用戶需求分析階段的結(jié)果，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行初步尺度參數(shù)規(guī)劃，在尺寸規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動學(xué)和逆動力學(xué)進(jìn)行求解計算，根據(jù)求解的結(jié)果，確定機(jī)器人的驅(qū)動參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)機(jī)器人的驅(qū)動參數(shù)數(shù)據(jù)，選擇合適的電機(jī)、減速器等核心零部件。將這些數(shù)據(jù)作為下一個階段的輸入條件，進(jìn)入下一個設(shè)計階段。

3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段中，得到上一階段即概念設(shè)計階段的結(jié)果，首先進(jìn)行常用件的選型，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的選型，結(jié)合選型元件的尺寸參數(shù)，在計算機(jī)輔助設(shè)計軟件中進(jìn)行零部件的設(shè)計，設(shè)計完成后進(jìn)行自動化裝配仿真分析，通過自動化裝配仿真分析對機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查分析，判斷機(jī)器人的裝配體是否存在干涉問題，如果存在干涉問題，需要與計算機(jī)輔助設(shè)計軟件交換，解決問題后進(jìn)入下一個階段。

4）模型驗(yàn)證階段

在模型驗(yàn)證階段中，主要任務(wù)是對結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)體模型進(jìn)行運(yùn)動仿真驗(yàn)證，以驗(yàn)證運(yùn)動學(xué)建模的正確性。首先接收上一階段的結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，根據(jù)運(yùn)動仿真的結(jié)果，判斷運(yùn)動仿真得到的末端軌跡是否與理論軌跡相符合，如果仿真結(jié)果與理論軌跡相符，則進(jìn)入下一階段，如果不符合，則需要進(jìn)入結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，對機(jī)器人的零部件模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

5）計算機(jī)輔助分析仿真階段

在計算機(jī)輔助分析仿真階段中，主要是對結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的機(jī)器人裝配體模型數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理，并將簡化后的結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機(jī)輔助仿真分析軟件中，并進(jìn)一步建立起有限元分析模型，對機(jī)器人零部件模型數(shù)據(jù)進(jìn)行全域靜剛度、全域模態(tài)、瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析等分析，預(yù)估機(jī)器人的靜動態(tài)特性等性能參數(shù)，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供支撐。

6）機(jī)電耦合設(shè)計階段

在機(jī)電耦合設(shè)計階段中，主要是在計算機(jī)輔助分析仿真系統(tǒng)中引入控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，然后結(jié)合整機(jī)瞬態(tài)動力學(xué)仿真對機(jī)器人結(jié)構(gòu)體模型進(jìn)行機(jī)電耦合等動力學(xué)仿真分析，根據(jù)仿真分析的結(jié)果為依據(jù)，用來判斷機(jī)器人的整機(jī)性能是否達(dá)到了用戶的要求，如果達(dá)到要求，則進(jìn)入下一階段，如果沒有達(dá)到要求，則返回修改。

7）優(yōu)化設(shè)計階段

在優(yōu)化設(shè)計階段中，首先設(shè)定機(jī)器人整機(jī)的優(yōu)化目標(biāo)及指標(biāo)，然后根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計，接著對機(jī)器人的關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制參數(shù)的優(yōu)化、響應(yīng)面的優(yōu)化和靈敏度分析等工作，最后得到優(yōu)化后的機(jī)器人整機(jī)的模型參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖2 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺參考體系結(jié)構(gòu)

2 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺的參考體系結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺的設(shè)計流程主要包括用戶需求分析階段、概念設(shè)計階段、結(jié)構(gòu)設(shè)計階段、數(shù)字模型驗(yàn)證階段、計算機(jī)輔助仿真階段、機(jī)電耦合設(shè)計階段、優(yōu)化設(shè)計階段等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

如圖2所示，工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計開發(fā)平臺是一個集成了計算機(jī)輔助設(shè)計軟件、計算機(jī)輔助分析系統(tǒng)、計算機(jī)輔助仿真分析系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計仿真分析等系統(tǒng)的綜合集成體系，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺參考體系主要分為設(shè)計仿真導(dǎo)航、設(shè)計仿真集成和數(shù)字化設(shè)計支撐數(shù)據(jù)/模型庫三個層次[2]。

1）工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)庫/模型庫層

工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)庫/模型庫層建立數(shù)據(jù)庫，用來存儲和管理可重用的數(shù)學(xué)計算模型、設(shè)計知識、零部件數(shù)據(jù)模型、設(shè)計導(dǎo)航流程模型等內(nèi)容。

2）工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計/仿真集成層

工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計與仿真集成層主要為針對工業(yè)機(jī)器人設(shè)計流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供設(shè)計和仿真支持，主要包括了概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)字模型驗(yàn)證、計算機(jī)輔助仿真、機(jī)電耦合設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計等功能模塊，該層是整個工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計研發(fā)平臺的核心層。

3）機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計/仿真導(dǎo)航層

設(shè)計/仿真導(dǎo)航層根據(jù)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計研發(fā)的7個關(guān)鍵階段，為用戶提供工業(yè)機(jī)器人專業(yè)功能以及工業(yè)機(jī)器人典型產(chǎn)品和零部件的設(shè)計向?qū)?，主要包括設(shè)計/仿真流程知識庫和工程案例庫，工程案例庫具有大量的各種工業(yè)機(jī)器人實(shí)際的設(shè)計和仿真過程。該模塊在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺中為設(shè)計/仿真流程提供指導(dǎo)，根據(jù)已有的流程知識庫的內(nèi)容，可以減少在新的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計和仿真過程中的重復(fù)勞動。

3 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

如圖3所示，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺的體系系統(tǒng)由下至上主要包括基礎(chǔ)層、核心層、框架層、通用功能層和行業(yè)應(yīng)用層五部分。

1）基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層主要對機(jī)器人設(shè)計平臺起到支撐作用，管理相應(yīng)的存儲管理、圖形顯示、與操作系統(tǒng)的交互和系統(tǒng)日志等。

2）核心層

核心層主要包括各種模型、工程圖、加工、分析等函數(shù)庫，以及與各類函數(shù)庫相關(guān)的顯示、數(shù)據(jù)庫管理和開發(fā)等，它是上層功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是機(jī)器人設(shè)計平臺的核心部分。

3）框架層

框架層通過GUI、命令管理、參數(shù)化管理、插件管理、調(diào)度管理和監(jiān)控等模塊對機(jī)器人設(shè)計平臺進(jìn)行開發(fā)、管理和優(yōu)化。

4）通用功能層

通用功能層提供了通用建模、工程圖、裝配建模、設(shè)計導(dǎo)航、數(shù)據(jù)交換等通用功能，涵蓋企業(yè)進(jìn)行設(shè)計和制造的基礎(chǔ)功能模塊。

5）應(yīng)用層

應(yīng)用層則是建立典型產(chǎn)品或零部件的設(shè)計系統(tǒng)，可提供專業(yè)功能以及典型產(chǎn)品和零部件的設(shè)計向?qū)АＴ诎徇\(yùn)、焊接等典型應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人設(shè)計研發(fā)過程中，逐漸完善支持自定制的流程，不斷豐富設(shè)計導(dǎo)航模板庫、零部件模型數(shù)據(jù)庫、運(yùn)動規(guī)律模型庫、控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)庫、分析仿真模板庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，逐漸形成面向工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的專業(yè)化的數(shù)字化設(shè)計平臺。

表1 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺集成數(shù)據(jù)

4 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺集成數(shù)據(jù)

如表1所示，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計平臺集成的數(shù)據(jù)主要包括幾何模型數(shù)據(jù)、計算機(jī)輔助分析模型數(shù)據(jù)、參數(shù)化數(shù)據(jù)、多體動力學(xué)模型數(shù)據(jù)、設(shè)計需求模型數(shù)據(jù)、工作流數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、工具庫、知識庫等。

計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)和計算機(jī)輔助分析系統(tǒng)的幾何模型文件分別描述一個產(chǎn)品模型的不同屬性和范圍，在描述零部件的幾何信息的差別在于其側(cè)重點(diǎn)不同。在計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)中，幾何模型文件主要是對產(chǎn)品的開發(fā)過程和管理方面的規(guī)范性描述，著重于對實(shí)體的幾何外形的描述， 計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)中的幾何信息是經(jīng)過處理的，其重要特征是在設(shè)計與分析的產(chǎn)品定義范疇間共享信息，還包括了在外形表達(dá)的基礎(chǔ)上對復(fù)合材料的外形進(jìn)行表達(dá)?；趲缀文Ｐ臀募鳛橹行晕募瓿捎嬎銠C(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)到計算機(jī)輔助分析系統(tǒng)的集成，需要通過幾何模型的映射和轉(zhuǎn)換進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主要流程包括對模型文件的幾何信息提取、幾何信息處理、幾何信息轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

本文對工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計平臺設(shè)計流程、參考體系結(jié)構(gòu)、機(jī)器人設(shè)計平臺集成數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行了研究，并提出了機(jī)器人設(shè)計平臺的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，該方案覆蓋了工業(yè)機(jī)器人設(shè)計過程中的包括用戶需求分析、概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型驗(yàn)證、仿真分析等多個關(guān)鍵步驟，對于工業(yè)機(jī)器人設(shè)計開發(fā)平臺系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)具有參考作用，可以應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計研發(fā)平臺的實(shí)際開發(fā)工作中。

[1]陳落根.數(shù)字化設(shè)計平臺中的CAD與CAE集成技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2013.

[2]李博.并聯(lián)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計平臺關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2014.