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工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究進(jìn)展???

羅振軍，馬躍，梅江平，田永利

（天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院）

摘編自《航空制造技術(shù)》2015年8期：34~37頁，圖、表、參考文獻(xiàn)已省略。

工業(yè)機(jī)器人作為裝備制造業(yè)中最具通用性的一類重要功能部件，已廣泛用于汽車工業(yè)、航空制造、電子電器和現(xiàn)代物流等規(guī)?；a(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了包括加工、搬運(yùn)、焊接、切割、噴涂、檢查、分選、裝配等在內(nèi)的多種作業(yè)，已成為保障產(chǎn)品質(zhì)量、提高工效、降低成本不可或缺的重要工具。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已由僅完成單項(xiàng)、重復(fù)性操作任務(wù)的機(jī)械手逐步發(fā)展成為具有快速可重構(gòu)、多功能、智能化等特征的作業(yè)單元和自動(dòng)化生產(chǎn)線。與此同時(shí)，一些應(yīng)用對工業(yè)機(jī)器人本體的速度、精度、剛度、動(dòng)態(tài)特性、單位重量輸出的功率密度，以及環(huán)境適應(yīng)性等提出了更高的要求，也對工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

眾所周知，工業(yè)機(jī)器人主要包括串聯(lián)機(jī)器人和并（混）聯(lián)機(jī)器人兩大類。其中，傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，當(dāng)前研究重點(diǎn)集中在高性能部件設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制和系統(tǒng)優(yōu)化；而并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)技術(shù)大致處于發(fā)展中期，近年來在構(gòu)型綜合、評價(jià)指標(biāo)、一體化建模理論、先進(jìn)控制等方面取得進(jìn)展，但仍有較大改進(jìn)空間。

當(dāng)前針對工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)任務(wù)是：圍繞高速化、高功率化、精密化、輕量化、智能化發(fā)展趨勢，進(jìn)行構(gòu)型和系統(tǒng)的自主創(chuàng)新與集成創(chuàng)新，并將傳統(tǒng)的針對理想機(jī)構(gòu)的理論研究轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蛘鎸?shí)機(jī)械產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)研究。因此，需要充分考慮服役環(huán)境，并將現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論和軟件技術(shù)等進(jìn)行整理和集成，盡量覆蓋從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)再到樣機(jī)測試在內(nèi)的所有階段。以下將針對數(shù)字化設(shè)計(jì)中所涉及的主要綜合、分析和測試任務(wù)的最新進(jìn)展進(jìn)行介紹。

構(gòu)型綜合技術(shù)研究進(jìn)展

機(jī)器人的構(gòu)型綜合主要針對并（混）聯(lián)機(jī)器人，主要解決機(jī)器人本體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化等問題。歐盟先后部署了Robot Tool、MACH21、SMErobot等科技計(jì)劃以研發(fā)融合串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)的新一代機(jī)器人系統(tǒng)，我國亦設(shè)有國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行探索。我國機(jī)構(gòu)學(xué)家先后提出了方位特征集、GF集、旋量理論型綜合、位移子群型綜合等理論[1]，可通過計(jì)算機(jī)算法自動(dòng)枚舉構(gòu)型，理論成就走在世界先列，但是如何通過計(jì)算機(jī)算法從海量構(gòu)型中發(fā)掘優(yōu)秀構(gòu)型仍然是世界性難題。另一種構(gòu)型綜合途徑則是通過分析典型案例和專利獲得定性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而借助靈感發(fā)現(xiàn)新機(jī)構(gòu)。這一途徑便于將不同機(jī)構(gòu)構(gòu)型（例如伸縮腿型、滑動(dòng)腿型和擺動(dòng)腿型等）與應(yīng)用需求綜合考慮，明確設(shè)計(jì)方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

以天津大學(xué)黃田教授為代表的我國機(jī)構(gòu)學(xué)家綜合運(yùn)用機(jī)構(gòu)綜合理論進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)注重根據(jù)任務(wù)和功能需求進(jìn)行全數(shù)字化設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)綜合多種因素（如鉸鏈數(shù)量、鉸鏈構(gòu)造、懸臂截面、尺寸公差、補(bǔ)償算法等）進(jìn)行優(yōu)化，合理地回避了并聯(lián)構(gòu)型工作空間較小的弱點(diǎn)，推出了與國外先進(jìn)構(gòu)型（如Exechon機(jī)器人、Z3動(dòng)力頭、Par4高速機(jī)器人等）性能相當(dāng)?shù)膰a(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品。例如，采用3-SPR全對稱分支的Exe-M五軸混聯(lián)機(jī)器人，其重要特點(diǎn)是采用完全模塊化的分支，允許較大的制造和裝配公差，大幅降低了制造成本。類似的模塊化構(gòu)型BiVariant已用于大型火箭薄壁筒的鏡像加工測試。

尺度綜合技術(shù)研究進(jìn)展

尺度綜合通常指根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)對機(jī)器人的關(guān)鍵尺度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通常不涉及具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性。另外，對于零部件高度模塊化的機(jī)器人，尺度綜合也常用于慣性和速度項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)化。

常用運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)包括：工作空間/機(jī)構(gòu)體積比、速度傳遞性能、力傳遞性能等。其中工作空間是指在可達(dá)工作空間中滿足若干指標(biāo)的部分優(yōu)質(zhì)空間。早期的研究大部分只考慮輸入輸出雅可比矩陣的條件數(shù)，即對整個(gè)工作空間中滿足局部條件數(shù)指標(biāo)（LCI）的位姿進(jìn)行條件數(shù)的平均和加權(quán)處理。近年來，一些機(jī)構(gòu)學(xué)家逐漸意識(shí)到條件數(shù)指標(biāo)未能考慮并（混）聯(lián)機(jī)器人本體中間環(huán)節(jié)的傳遞效率，進(jìn)而提出了局部力傳遞系數(shù)（LTI）等指標(biāo)[2-3]，以便計(jì)入壓力角和結(jié)構(gòu)角等對機(jī)構(gòu)性能的影響。設(shè)計(jì)者也可以根據(jù)獲得的圖譜對LCI和LTI等指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理。

需要了解的是，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化獲得的尺度參數(shù)還需要經(jīng)過運(yùn)動(dòng)干涉分析、靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析等階段的修正。上述各種分析通常依序進(jìn)行，以便利用性能指標(biāo)的分層遞階優(yōu)化來緩解變量繁多造成收斂困難的問題。同時(shí)還應(yīng)該看到，上述指標(biāo)并未包括懸臂梁（例如擺動(dòng)腿分支以及整機(jī)都呈現(xiàn)懸臂特征）、二力桿、桿件拓?fù)浼敖孛妫ㄈ缧筒摹㈣旒芤约凹訌?qiáng)筋）等因素對力傳遞性能的影響。為此，美國學(xué)者Rivin 提倡盡早應(yīng)用材料力學(xué)分析整機(jī)的分析力傳遞性能，有助于早期發(fā)現(xiàn)瓶頸，能快速獲得較優(yōu)解[4]。事實(shí)上，考慮到懸臂梁和鉸鏈關(guān)節(jié)不僅自身力學(xué)性能相對薄弱，而且通常處于力流傳遞效率較低的位置，因此適宜提前進(jìn)行彈性靜力學(xué)分析，以便加速評估初始設(shè)計(jì)方案的工程可行性。

由于各種指標(biāo)的最優(yōu)值通常無法兼顧，尺度綜合的一個(gè)重要任務(wù)是進(jìn)行多種評價(jià)指標(biāo)的折衷，通常可根據(jù)任務(wù)要求和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加權(quán)值的分配，也可采用多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行Pareto優(yōu)化。

高真實(shí)度建模仿真技術(shù)研究進(jìn)展

在完成尺度綜合之后，設(shè)計(jì)者可以開始設(shè)計(jì)詳細(xì)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行材料選取和零部件選型，并進(jìn)行簡化的動(dòng)力學(xué)分析，初步確定電機(jī)和減速機(jī)。但是對于一些高速或高精度機(jī)器人而言，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須借助最新的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)。

高真實(shí)度建模及仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人高水平設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。虛擬樣機(jī)模型的真實(shí)程度一方面取決于CAE軟件的功能，另一方面也取決于設(shè)計(jì)者對關(guān)鍵零部件采取的建模方法，以及零部件參數(shù)的準(zhǔn)確度。根據(jù)模型的真實(shí)程度，可以把數(shù)字化模型分成一般精度、較高精度和高精度3個(gè)層次。一般精度模型只考慮多剛體動(dòng)力學(xué)，并作較多簡化，常用于工業(yè)機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)。較高精度模型應(yīng)考慮桿件和減速機(jī)等柔性環(huán)節(jié)產(chǎn)生的剛?cè)狁詈犀F(xiàn)象，但是對連續(xù)柔性接觸進(jìn)行了簡化。而高精度模型則需精確考慮絲桿、導(dǎo)軌、輪系、軸承、結(jié)合面等單元的有限元模型，并考慮預(yù)緊等因素。

高真實(shí)度模型的主要用途包括：

1）貢獻(xiàn)率分析。即每次分析只考慮某部件的非線性因素，而假設(shè)其他部件為理想元素（例如假設(shè)只有大臂為柔性），計(jì)算出此條件下的末端變形量、動(dòng)剛度等指標(biāo)。通過遍歷所關(guān)心的部件并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，從而得出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

2）性能上限預(yù)估。即基于貢獻(xiàn)率分析結(jié)果對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行適度調(diào)整，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各項(xiàng)性能仿真，可以掌握整機(jī)大致性能，避免消耗過多時(shí)間進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化。此外，全參數(shù)化的高真實(shí)度模型還可以用于靈敏度分析和整機(jī)性能優(yōu)化等。

需要指出的是，由于高真實(shí)度模型對軟件建模能力和求解能力要求很高，對于大型機(jī)電系統(tǒng)尚存在一定困難，所以通常需進(jìn)行合理簡化。例如，對于由多個(gè)軸承組成的鉸鏈單元，首先應(yīng)保證單個(gè)軸承模型的分析數(shù)據(jù)與產(chǎn)品手冊數(shù)據(jù)吻合，然后建立鉸鏈單元的集成模型，通過有限元分析[5]或經(jīng)典理論[6]計(jì)算獲得鉸鏈單元的等效軸套單元，并用等效單元替代實(shí)物。最后，應(yīng)盡量將高真實(shí)度模型和實(shí)物模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。

精度分析技術(shù)研究進(jìn)展

盡管有關(guān)精度分析和誤差補(bǔ)償?shù)难芯恳呀?jīng)開展多年，出現(xiàn)了虛擬柔性關(guān)節(jié)等理論，但是對于不足6個(gè)自由度的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，必須進(jìn)行實(shí)例化假設(shè)和特殊處理才能運(yùn)用傳統(tǒng)分析方法，不僅造成公式繁復(fù)難懂，而且通常無法進(jìn)行誤差分解分析。為此，黃田教授等基于變分原理和線性空間理論提出一套可同時(shí)用于速度分析、靜剛度分析、誤差分析的一體化建模體系[3]。

多領(lǐng)域耦合仿真研究進(jìn)展

工業(yè)機(jī)器人是典型的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)。其中，數(shù)控系統(tǒng)是影響機(jī)器人性能的重要因素，因此在數(shù)字化設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮數(shù)控系統(tǒng)的影響，通過高真實(shí)度機(jī)械模型和數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)電耦合仿真來預(yù)估系統(tǒng)性能，發(fā)掘控制系統(tǒng)潛能。

此外，一些機(jī)器人系統(tǒng)還涉及液壓、氣動(dòng)和熱循環(huán)等非機(jī)械因素。幸運(yùn)的是，現(xiàn)有主流CAE軟件（例如Modelica、Recurdyn 和Samcef等）在機(jī)電耦合和多領(lǐng)域耦合仿真方面均提供了較好的支持。主要研究熱點(diǎn)集中在高真實(shí)數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模。但是對于我國研究者來說，由于國外大部分驅(qū)動(dòng)器廠商均不提供伺服包和驅(qū)動(dòng)電路的細(xì)節(jié)，使得驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的精確建模和最優(yōu)控制仍然極具挑戰(zhàn)。此外，新型控制算法（如自抗擾控制、輸入整形控制）便于計(jì)入整機(jī)系統(tǒng)的頻響特性，易于實(shí)現(xiàn)，因此均取得一定普及。而這些算法與魯棒控制、模糊控制、滑模控制等控制算法的混合也是未來重要發(fā)展趨勢。

常用指標(biāo)的選取和處理

除了尺度綜合中的常用指標(biāo)，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中還需要針對同類產(chǎn)品常用評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行核算或優(yōu)化設(shè)計(jì)。這類指標(biāo)的特點(diǎn)之一是數(shù)量眾多，例如各軸最大速度和加速度、TCP末端線速度、路徑精度等；特點(diǎn)之二是缺乏統(tǒng)一規(guī)定，一些指標(biāo)主要由機(jī)器人廠家定義，而在國標(biāo)中未作約束（例如額定載荷的安裝位置等），因此設(shè)計(jì)者可以先基于典型工況進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后采用國標(biāo)和企標(biāo)進(jìn)行評估。

一種常用的設(shè)計(jì)方法是對最常用的作業(yè)任務(wù)進(jìn)行加權(quán)處理。首先根據(jù)條件數(shù)和壓力角等運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)確定相對優(yōu)質(zhì)的工作空間，在該空間內(nèi)選取典型末端位置或典型末端路徑，并根據(jù)出現(xiàn)頻率和重要性等因素為其分配加權(quán)系數(shù)；然后通過多體動(dòng)力學(xué)軟件仿真上述典型動(dòng)作，計(jì)算出速度和精度等指標(biāo)并加權(quán)處理；最后通過參數(shù)化建模技術(shù)驅(qū)動(dòng)模型更新，利用優(yōu)化算法尋找優(yōu)化解。

另一種常見設(shè)計(jì)方法是評估在給定速度和加速度指標(biāo)時(shí)末端可能發(fā)生的最大變形以及電機(jī)所需力矩。較保守的設(shè)計(jì)是選取最惡劣工況，采用運(yùn)動(dòng)靜力學(xué)方法進(jìn)行評估。但是考慮到大部分工作空間不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)最大速度和最大加速度，所以可以為不同工作子空間分配不同的指標(biāo)或權(quán)重。

關(guān)于機(jī)電耦合控制的評價(jià)指標(biāo)，目前主要有兩類：一類是基于理想的參數(shù)化模型，通過動(dòng)力學(xué)仿真評價(jià)機(jī)器人跟蹤連續(xù)軌跡的精度；另一類則是給定機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)的置信區(qū)間，評價(jià)控制參數(shù)對于各種擾動(dòng)下的魯棒性[7]。后一類評價(jià)指標(biāo)涉及了閉環(huán)穩(wěn)定性、力矩波動(dòng)和定位誤差等，因此是第一類評價(jià)指標(biāo)的重要補(bǔ)充。

結(jié)束語

本文主要介紹了非加工類典型機(jī)器人的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)。限于篇幅，并未涉及切削加工機(jī)器人應(yīng)用中的切削力等因素，也未涉及機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化?？偟貋碚f，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)既復(fù)雜也簡單，重要的是正確地理解機(jī)器人設(shè)計(jì)中的優(yōu)化指標(biāo)和關(guān)鍵概念，熟練掌握高端CAE軟件，通過合理假設(shè)、物理試驗(yàn)和對比分析等手段，掌握高真實(shí)模型的建模仿真技術(shù)，從而可以從容應(yīng)對各種設(shè)計(jì)需求。