重载机器人机构的运动尺度-构件结构参数同步优化方法

For heavy-load robotic manipulators, as the friction stir welding equipment, whose design optimization objectives are different from normal industrial robots: not only the kinematics performances are considered, structural related performance, including carrying capacity, stiffness, inertia, are also taken into account in the design stage of mechanism parameters. So the design variables consist both dimensional and structural parameters. In the existing design process, structural design is carried out after the topology and dimensional parameters have already been provided. Meanwhile, the dimensional synthesis process can only optimize kinematic performance for the manipulater, the basic structural parameters of components can’t be obtained simultaneously in the same time..For the specific requirement of heavy-load robotic manipulators, the idea of acquiring both kinematic dimensions and structural parameters simultaneously in the conceptual design process is proposed: after certain simplification assumptions are made to the structural parameters, both the structural parameters, such as the cross sectional parameters of the linkages, and the kinematic dimensional parameters, such as linkage length, will be treated as the design parameters; then, a structural uniform load principle (equal strain energy density criterion) is introduced in the optimization objectives; constraint functions are constructed for each individual linkage based on the force transmission conditions, in which both dimensional and structural parameters are modeled as variables; finally, the analytical solutions can be achieved in the optimization process. .Synchronous optimization for both dimensional and structural parameters is an extension for the optimization design process of mechanism parameters, which provide guidance for the detailed design of heavy-load robotic manipulators and reduce the repeated calculation time.

重载机器人机构，如搅拌摩擦焊装备的运动机构，其设计优化目标与一般工业机器人有所区别：在机构概念设计阶段不仅要考虑运动特性，而且还需考虑承载、刚度、惯量等和结构参数相关的特性，因此参数设计的变量不仅是尺度，还应包括构件的最基本结构参数。现有的机构设计方法是在构型和运动（学）尺度设计之后再进行构件结构设计，尺度综合通常只优化运动性能，无法在一步优化设计中同时获得最佳的运动尺度和构件基本结构参数。.针对重载机构设计的需求，提出在一步优化设计中同时优化运动尺度和构件基本结构参数的设计思想：对构件结构做出一定简化，将连杆截面参数与运动尺度参数共同作为设计变量，引入结构匀载原则（等应变能密度），依据各个构件上的受力条件建立运动尺度和结构参数的约束方程，实现优化模型中各物理参数的解析计算。运动尺度-结构参数联合优化方法是对机构参数优化设计变量的拓展，可为重载机构的详细设计提供指导，减少后续迭代设计次数。

为提高加工轨迹精度，重载工况的机器人机构设计不仅要考虑运动特性，而且还需考虑惯量、承载、刚度等由尺度和结构两种参数共同决定的动力学参数，因此若采用传统的机构分步设计方法先进行运动尺度设计再进行构件结构参数设计，则会出现设计反复。为此，项目提出了在机构尺度综合中同时考虑结构承载和结构刚度，同时获得机构最优运动尺度和构件截面/厚度等基本结构，为重载机构的详细设计提供指导，减少后续迭代设计次数。主要研究成果如下：.实际重载机构构件结构复杂，构件变形与载荷不成线性关系，为此，将构件刚度矩阵通过主轴分解的方式进行了等效转化，整机刚度通过一系列被动关节、主动驱动关节、以及等效弹性关节表征，使得机构末端变形能够通过等效模型加以分析，为重载机构的构件结构参数优化提供了精确的解析的整机刚度映射模型；.重载机构设计除了考虑末端刚度，还需要考虑整机结构中刚度最薄弱环节，为此，以机构中各构件变形能均匀分配为原则，构建了“刚度分布密度指标”，用于描述机构在整个工作轨迹中的各构件刚度分布特性，评价各构件对整体承载能力贡献的大小，同时，考虑机构末端刚度在整个轨迹中的平均值和最小值等，形成了四种重载机构性能评价指标，为重载机构参数优化提供了准则；.针对上述重载机构结构参数优化准则和整机刚度映射模型，考虑机构可装配性、非奇异性、构件尺寸约束等约束条件，将构件截面/厚度等结构参数与构件长度等运动尺度参数共同作为设计变量，采用多目标权重分配法建立了尺度-构件结构参数同步优化的模型，为重载机构参数优化提供了模型基础；.上述理论方法在Tricept机构上进行了算例分析，通过优化前后的动态性能对比分析，验证了本方法针对低速重载机构参数设计具有较大的优势；进一步地，本方法应用于面向航天复合材料加工的五自由度混联机构参数设计中，通过工程实物样机的刚度实验分析验证了本方法的有效性，为后续我国航天等领域重载机器人装备研制提供有效的技术支撑。