基于結(jié)構(gòu)與動力統(tǒng)一描述的機(jī)械臂輕量化設(shè)計方法目錄課題研究背景及研究現(xiàn)狀1輕量化總體設(shè)計方案2輕量化設(shè)計案例的具體實施3機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗4總結(jié)與展望51.研究背景與現(xiàn)狀背景1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀輕型機(jī)械臂國外國內(nèi)安川雄克KUKAiRobot1.研究背景與現(xiàn)狀背景61.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀機(jī)械臂輕量化的實現(xiàn)方式：結(jié)構(gòu)的輕量化碳纖維鋁合金鈦合金尺寸優(yōu)化形狀優(yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計要求材料選擇有限元比剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動的輕量化高功率密度的內(nèi)嵌關(guān)節(jié)電機(jī)基于商用的電機(jī)和減速機(jī)進(jìn)行最優(yōu)組配仿人工肌肉驅(qū)動二者整體輕量化Zhou&Bai將候選的電機(jī)和減速機(jī)根據(jù)驅(qū)動能力大小進(jìn)行編號，作為離散變量采用復(fù)合形算法尋找結(jié)構(gòu)、電機(jī)和減速機(jī)的最優(yōu)組合本文的研究：2.輕量化總體設(shè)計方案機(jī)械臂結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)驅(qū)動之間的設(shè)計關(guān)系結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)驅(qū)動的整體輕量化設(shè)計方法提出結(jié)構(gòu)動力學(xué)作為橋梁

2.輕量化總體設(shè)計方案力矩密度曲線針對同一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)，Roos提出了其額定力矩、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)量的表達(dá)式：2.輕量化總體設(shè)計方案力矩密度曲線相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)和減速機(jī)組成的驅(qū)動系統(tǒng)而言，在滿足以下描述的匹配原則條件下，其輸出能力由電機(jī)決定考慮轉(zhuǎn)動慣量的影響：2.輕量化總體設(shè)計方案輕量化設(shè)計方案流程圖2.輕量化總體設(shè)計方案目標(biāo)設(shè)計要求設(shè)計指標(biāo)的項目類型具體指標(biāo)說明構(gòu)型自由度數(shù)目：≥4，運(yùn)動副形式：轉(zhuǎn)動工作空間半徑為700mm的半球區(qū)域關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速≥1.57rad/s末端負(fù)載最大負(fù)載2.5kg自重≤8.5kg整機(jī)功率≤350W其他地面/墻面安裝，實現(xiàn)定點抓取本文研究機(jī)械臂的輕量化問題，是在具體任務(wù)要求下的輕量化。機(jī)械臂的設(shè)計指標(biāo)

n自由度串聯(lián)機(jī)械臂簡圖可操作度相對可操作度全局條件數(shù)2.輕量化總體設(shè)計方案運(yùn)動尺寸參數(shù)剛度大、質(zhì)量輕的材料對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的自重負(fù)載/自重比、結(jié)構(gòu)緊湊和能耗低等特點臂桿結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)2.輕量化總體設(shè)計方案桿件長度：桿件扭轉(zhuǎn)角：關(guān)節(jié)平移位移：關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動位移：正向運(yùn)動學(xué)問題逆向運(yùn)動學(xué)問題DH法采用“最短行程”準(zhǔn)則和“多動大關(guān)節(jié)，少動小關(guān)節(jié)”原則來選擇最優(yōu)解運(yùn)動模型和軌跡規(guī)劃2.輕量化總體設(shè)計方案機(jī)械臂的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析示意圖靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析2.輕量化總體設(shè)計方案網(wǎng)格邊界條件及載荷末端變形結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力

由于機(jī)械臂結(jié)構(gòu)形狀的復(fù)雜性，很難直接用解析法進(jìn)行計算求解，一般采用多體動力學(xué)仿真軟件來輔助計算動力學(xué)模型2.輕量化總體設(shè)計方案拉格朗日方程：狀態(tài)空間方程表達(dá)：機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型及力矩密度曲線2.輕量化總體設(shè)計方案3.輕量化案例的具體實施機(jī)械臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：第一代試驗樣機(jī)四自由度機(jī)械臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型3.輕量化案例的具體實施臂桿和模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)臂桿結(jié)構(gòu)“T”型關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)“H”型關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)3.輕量化案例的具體實施輕量化問題的描述結(jié)構(gòu)設(shè)計變量的選取臂桿的參數(shù)化結(jié)構(gòu)尺寸3.輕量化案例的具體實施輕量化問題的描述關(guān)節(jié)設(shè)計變量的選取模塊化關(guān)節(jié)的參數(shù)化結(jié)構(gòu)尺寸3.輕量化案例的具體實施輕量化問題的描述機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度約束3.輕量化案例的具體實施輕量化問題的描述驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的約束單關(guān)節(jié)的動力傳遞過程機(jī)械臂動力學(xué)虛擬樣機(jī)模型（1）目標(biāo)函數(shù)（2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度約束：（3）驅(qū)動系統(tǒng)約束：輕量化問題的描述3.輕量化案例的具體實施3.輕量化案例的具體實施輕量化設(shè)計實施流程圖（1）目標(biāo)函數(shù)（2）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度約束：（3）驅(qū)動系統(tǒng)組件選型約束：參考設(shè)計方法的輕量化問題的描述3.輕量化案例的具體實施3.輕量化案例的具體實施參考設(shè)計方法的輕量化設(shè)計實施流程圖3.輕量化案例的具體實施連桿編號iαi-1(rad)li-1(mm)θi(rad)di(mm)關(guān)節(jié)變量100θ1hθ12π/20θ20θ230l1θ30θ340l2θ40θ4—0l30°0—初始數(shù)據(jù)→運(yùn)動學(xué)尺寸參數(shù)3.輕量化案例的具體實施地面安裝墻面安裝笛卡爾空間的軌跡關(guān)節(jié)空間的軌跡初始數(shù)據(jù)→運(yùn)動軌跡輸入在優(yōu)化過程中，每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，采取兩種安裝方式下的運(yùn)動過程中力矩最大值的進(jìn)行設(shè)計，以滿足兩種安裝方式的工作要求。3.輕量化案例的具體實施驅(qū)動力矩密度曲線HYHB緊湊型諧波減速機(jī)MaxonEC系列直流無刷電機(jī)諧波減速機(jī)與電機(jī)的技術(shù)參數(shù)諧波型號電機(jī)型號驅(qū)動系統(tǒng)編號md(kg)Td(Nm)Jd(kgm2)HBHY-14-120EC-45-12WA10.6072.4625.23×10-6EC-45-30WA20.6356.1109.25×10-6EC-45-50WA30.6608.8461.35×10-5HBHY-17-120EC-45-70WA40.83011.6741.81×10-5ECI-40-70WA50.95014.5922.30×10-6ECI-40-100WA61.19021.3414.40×10-6HBHY-20-120EC-60-100WA71.47029.0931.21×10-4候選的驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)驅(qū)動力矩密度曲線②取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、材料③關(guān)節(jié)力矩密度曲線隨著制造工藝以及新材料的應(yīng)用也是在不斷在更新變化的①力矩密度曲線理論上是存在的④依據(jù)候選驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行擬合得到驅(qū)動力矩密度曲線3.輕量化案例的具體實施結(jié)構(gòu)變量r1r2a1a2b1b2范圍[22.5,27.5][20,25][20,50][10,30][20,50][10,40]初始值22.52020102010本文優(yōu)化流程：設(shè)置結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊中遺傳算法的初始種群數(shù)量和迭代的種群樣本數(shù)量為10，誤差限e=0.001，經(jīng)過94次計算完成對機(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計。參考設(shè)計流程：給定20個可行域中的設(shè)計點，設(shè)置復(fù)合形算法的反射系數(shù)α=1.3，緊縮系數(shù)ζ=0.6，擴(kuò)展系數(shù)γ=1.5，收縮系數(shù)β=0.3，收斂限ε取0.001，經(jīng)過319次迭代完成優(yōu)化。關(guān)節(jié)編號電機(jī)型號減速機(jī)型號額定輸出力矩(Nm)關(guān)節(jié)1EC60HBHY-2029.093關(guān)節(jié)2EC60HBHY-2029.093關(guān)節(jié)3ECI40HBHY-1714.592關(guān)節(jié)4EC45HBHY-146.110結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計范圍及初始值關(guān)節(jié)的初始配置強(qiáng)度和剛度約束：結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力＜270Mpa；末端最大變形量＜1mm

3.輕量化案例的具體實施兩種設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化迭代圖參考設(shè)計方法本文設(shè)計方法3.輕量化案例的具體實施參考設(shè)計方法—電機(jī)編號的迭代圖驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化迭代圖參考設(shè)計方法—諧波減速機(jī)編號的迭代圖3.輕量化案例的具體實施本文設(shè)計方法本文設(shè)計方法參考設(shè)計方法94次迭代319次迭代3.輕量化案例的具體實施結(jié)構(gòu)尺寸r1r2a1a2b1b2本文設(shè)計方法27.1124.9146.3328.3831.8528.67參考設(shè)計方法26.9724.8944.0126.5632.0726.39

本文設(shè)計方法參考設(shè)計方法關(guān)節(jié)編號理論最優(yōu)設(shè)計實際設(shè)計umiugi組合后的驅(qū)動系統(tǒng)116.37?(A5,A6)A662A6(6,2)219.89?(A5,A6)A662A6(6,2)310.34?(A3,A4)A442A4(4,2)42.31?(0,A1)A111A1(1,1)機(jī)械臂的質(zhì)量7.51kg7.83kg7.95kg迭代次數(shù)94次319次優(yōu)化結(jié)果匯總對比結(jié)論：①兩種方法的優(yōu)化結(jié)果相同，表明本文設(shè)計方法的可行性。②基于力矩密度曲線的設(shè)計方法是一種連續(xù)的優(yōu)化方式，具有一定的高效性。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化結(jié)果驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果3.輕量化案例的具體實施結(jié)構(gòu)變量r1r2a1a2b1b2尺寸大小27mm25mm46mm28mm32mm29mm關(guān)節(jié)編號諧波減速機(jī)型號直流無刷電機(jī)型號編碼器型號1HBHY-17-120ECI-40-100WMR-L型1024線2HBHY-17-120ECI-40-100WMR-L型1024線3HBHY-17-120EC-45-70WMR-L型1024線4HBHY-14-120EC-45-12WMR-L型1024線4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗加工結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的配置樣機(jī)試制4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗樣機(jī)控制系統(tǒng)搭建4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗試驗?zāi)B(tài)與仿真模態(tài)模態(tài)階次頻率（Hz）阻尼比振型描述118.03Hz3.76%機(jī)械臂沿X軸線方向上下俯仰231.57Hz2.28%機(jī)械臂沿Z軸線方向左右擺動393.81Hz3.99%大臂俯仰帶動機(jī)械臂上下俯仰機(jī)械臂前三階的試驗?zāi)B(tài)參數(shù)4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗試驗?zāi)B(tài)與仿真模態(tài)模態(tài)階次仿真模態(tài)頻率(Hz)試驗?zāi)B(tài)頻率(Hz)誤差120.0818.0311.37%234.7831.5710.17%3106.6093.8113.63%試驗?zāi)B(tài)與仿真模態(tài)頻率對比結(jié)論：①試驗?zāi)B(tài)和仿真模態(tài)的模態(tài)頻率相對誤差較小，誤差在15%之內(nèi)，表明文中有限元分析模型具有一定的準(zhǔn)確性。②試驗?zāi)B(tài)的一階頻率在18Hz

左右，軌跡規(guī)劃的電機(jī)轉(zhuǎn)頻8Hz~10Hz，表明機(jī)械臂在運(yùn)動過程中的發(fā)生共振的概率較小。4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗振動測試實驗坐標(biāo)系X方向位移振動量Y方向位移振動量Z方向位移振動量坐標(biāo)系{a}0.5285mm0.2829mm0.2184mm坐標(biāo)系{0}0.2683mm0.1514mm0.5287mm對于一組離散的加速度信號時域振動信號結(jié)論：測量點在基坐標(biāo)系{0}下X，Y，Z三個方向上的最大振動量均小于0.6mm，由此說明文中的試驗樣機(jī)具有一定的運(yùn)動精度。4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗振動測試實驗4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗力矩測試實驗直流無刷電機(jī)的輸出力矩與其電流成正比，因此可以通過實時測量的電機(jī)電流來換算其輸出力矩4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗力矩測試實驗關(guān)節(jié)1理論與實驗力矩關(guān)節(jié)2理論與實驗力矩關(guān)節(jié)3理論與實驗力矩關(guān)節(jié)4理論與實驗力矩關(guān)節(jié)編號理論仿真計算(Nm)實驗測量(Nm)相對誤差116.1516.461.88%219.8919.12-4.03%310.3410.572.18%42.312.382.94%4.機(jī)械臂樣機(jī)試制與實驗力矩測試實驗理論與實驗力矩的均方根對比結(jié)論：①理論仿真計算和實驗測量關(guān)節(jié)力矩的RMS值的相對誤差在±5%之內(nèi)，由此說明了文中動力學(xué)仿真計算模型的正確性。②本文提出的輕量化設(shè)計方法具有可靠性，滿足驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求5.總結(jié)與展望研究總結(jié)：研究展望：（1）提出了同一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)力矩與其質(zhì)量的定量描述-“驅(qū)動力矩密度曲線”，揭示了驅(qū)動系統(tǒng)的固有特性，為實現(xiàn)機(jī)械臂在輕量化過程中結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化的統(tǒng)一性奠定了基礎(chǔ)。（2）提出了基于驅(qū)動力矩密度曲線的輕量