基于拓?fù)鋬?yōu)化的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

吳立華，白 潔，康國(guó)坡，李克天

0 引言

工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷多年發(fā)展，逐步朝著高精度、高速度發(fā)展，不但對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制提出了更高的要求，也對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)提高出了更高的要求，不僅要輕量化而且要具有足夠的強(qiáng)度、剛度和具有較好的動(dòng)態(tài)特性，這些相互沖突的目標(biāo)，即為當(dāng)下常見的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，拓?fù)鋬?yōu)化有著非常廣泛的應(yīng)用，拓?fù)鋬?yōu)化是研究在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求材料最優(yōu)分布的問(wèn)題，而將多目標(biāo)的問(wèn)題如何轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題是當(dāng)前的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化基本方法和研究重點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)有不少人開展了相關(guān)研究。饒柳生[1]等采用了一種通過(guò)折衷規(guī)劃法和功效函數(shù)法轉(zhuǎn)化而成的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化方法改進(jìn)了機(jī)床立柱的設(shè)計(jì)，張志飛[2,3]等針對(duì)汽車懸架控制臂進(jìn)行了多目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化研究，提出一種基于折衷規(guī)劃法歸一化子目標(biāo)建立綜合目標(biāo)函數(shù)、以灰色綜合關(guān)聯(lián)分析確定綜合目標(biāo)函數(shù)中子目標(biāo)權(quán)重系數(shù)的方法。許輝煌[4]等將利用線型加權(quán)的多目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。姚濤[5]等利用分析層級(jí)法確定多目標(biāo)各子目標(biāo)權(quán)重，將多目標(biāo)問(wèn)題成功的轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)的問(wèn)題。

本文選用某企業(yè)額定載重為6 kg的商用工業(yè)機(jī)器人本體的大臂作為分析對(duì)象，采用多目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析獲得大臂在整個(gè)工作空間內(nèi)的極限載荷，選擇結(jié)構(gòu)剛度和前幾階固有頻率的提高作為優(yōu)化目標(biāo)。

1 大臂的結(jié)構(gòu)與特性分析

1.1 結(jié)構(gòu)說(shuō)明

在串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人（如圖1所示）的結(jié)構(gòu)中，大臂承擔(dān)了機(jī)器人了肩部、小臂、腕部和負(fù)載全部重量，且其結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)型，與其他部件對(duì)比，其剛度和動(dòng)態(tài)特性對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度影響較大，對(duì)其剛度和動(dòng)態(tài)特性要求高。

1.2 強(qiáng)度分析和模態(tài)分析

圖1 工業(yè)機(jī)器人CAD模型

工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行中，下端和腰部相連，上端與肩部相接承受扭矩和力。在整個(gè)工作空間內(nèi)利用動(dòng)力學(xué)分析，獲得某型號(hào)工業(yè)機(jī)器人大臂在典型極端工況下關(guān)節(jié)的峰值力和峰值扭矩[6]，用作下一步強(qiáng)度分析的受力邊界條件。

建立大臂的有限元模型，對(duì)大臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 大臂應(yīng)力圖

分析結(jié)果表明，大臂的最大變形是0.42 mm，最大應(yīng)力是75.2 MPa。強(qiáng)度滿足要求，但是其變形較較大，剛度較弱，影響機(jī)器人的整體的動(dòng)態(tài)性能和末端的精度，因此下一步目標(biāo)是進(jìn)行提高剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在大臂下端固定的情況下對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，高階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)震動(dòng)的影響較小，只關(guān)注其低階前6階模態(tài)，如表1所示。提高低階固有頻率有利于改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，提升機(jī)器人的定位精度。

圖3 大臂位移圖

2 大臂拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 多目標(biāo)優(yōu)化方法

折衷規(guī)劃法比較適合用于優(yōu)化目標(biāo)屬性不同的優(yōu)化問(wèn)題，其思路是把多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題折衷為與每個(gè)目標(biāo)函數(shù)的理想最優(yōu)解誤差最小的矢量，消除不同屬性或同屬性不同量級(jí)的影響，從而完成將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題。綜合考慮極限工況下的結(jié)構(gòu)剛度和固態(tài)固有頻率，最終得到帶權(quán)重系數(shù)的折衷規(guī)劃法的拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)[2,+7]。

或

其中：

F(ρ)——綜合目標(biāo)函數(shù)；

m——子目標(biāo)數(shù)目；

ρ——設(shè)計(jì)變量即材料相對(duì)密度；

wk——第k個(gè)子目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；

Ck(ρ)——第k子目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)；

p——懲罰因子，一般取p≥2；

2.2 大臂的拓?fù)鋬?yōu)化

根據(jù)大臂實(shí)際安裝條件（如RV減速器等安裝需求）和受力條件，并對(duì)大臂模型的細(xì)節(jié)處做簡(jiǎn)化處理，整個(gè)大臂分為拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域和非優(yōu)化區(qū)域，如圖4所示。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化有限元模型

大臂進(jìn)行多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的重要程度，取剛度目標(biāo)權(quán)值0.4，頻率目標(biāo)權(quán)值0.3，質(zhì)量目標(biāo)權(quán)值0.3，通過(guò)自定義函數(shù)功能編寫多目標(biāo)函數(shù)后借助Hyperworks軟件中Optistruct求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化求解，經(jīng)過(guò)14次迭代目標(biāo)函數(shù)收斂，拓?fù)鋬?yōu)化后的模型如圖5所示。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化后的模型

從圖5可以看出，紅色區(qū)域主要集中在大臂的兩端以及中間底板部分，其中間藍(lán)色區(qū)域可以考慮去除。其他如大臂與肩部連接處的不規(guī)則小孔，可根據(jù)實(shí)際需要考慮是否去除。

2.3 大臂的改進(jìn)設(shè)計(jì)與分析

參考多目標(biāo)優(yōu)化后的大臂材料分布云圖和結(jié)構(gòu)的加工工藝并忽略細(xì)小孔洞[8]，在中間兩側(cè)腹板開槽口，在與底座相近的大臂增加2個(gè)加強(qiáng)筋，提高其剛度，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的大臂結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的大臂質(zhì)量為22.28 kg，比原結(jié)構(gòu)降低約6.7%；對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析，結(jié)果表明改進(jìn)后的大臂各階模態(tài)都有一定程度的提高，強(qiáng)度和剛度性能均得到有效改善，見表1、表2。

表1 大臂改進(jìn)前后動(dòng)態(tài)特性對(duì)比表

表2 大臂改進(jìn)前后靜態(tài)特性對(duì)比表

3 小結(jié)

本文提出了一種多目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化方法，并以某商用工業(yè)機(jī)器人的薄弱零件（大臂）為例，運(yùn)用該方法進(jìn)行了多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化結(jié)果顯示大臂的剛度、強(qiáng)度性能明顯增強(qiáng)，固有頻率均有不同程度提高，輕量化效果明顯。