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

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工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化設(shè)計技術(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)模化生產(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)單元和自動化生產(chǎn)線。與此同時，一些應(yīng)用對工業(yè)機(jī)器人本體的速度、精度、剛度、動態(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、先進(jìn)控制和系統(tǒng)優(yōu)化；而并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計技術(shù)大致處于發(fā)展中期，近年來在構(gòu)型綜合、評價指標(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)計研究。因此，需要充分考慮服役環(huán)境，并將現(xiàn)有設(shè)計理論和軟件技術(shù)等進(jìn)行整理和集成，盡量覆蓋從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計再到樣機(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]，可通過計算機(jī)算法自動枚舉構(gòu)型，理論成就走在世界先列，但是如何通過計算機(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，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、滑動腿型和擺動腿型等）與應(yīng)用需求綜合考慮，明確設(shè)計方案的重點(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，同時注重根據(jù)任務(wù)和功能需求進(jìn)行全數(shù)字化設(shè)計，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]，以便計入壓力角和結(jié)構(gòu)角等對機(jī)構(gòu)性能的影響。設(shè)計者也可以根據(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)動干涉分析、靜力學(xué)分析、動力學(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。同時還應(yīng)該看到，上述指標(biāo)并未包括懸臂梁（例如擺動腿分支以及整機(jī)都呈現(xiàn)懸臂特征）、二力桿、桿件拓?fù)浼敖孛妫ㄈ缧筒?、桁架以及加?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，尺度綜合的一個重要任務(wù)是進(jìn)行多種評價指標(biāo)的折衷，通?？筛鶕?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)計者可以開始設(shè)計詳細(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個層次。一般精度模型只考慮多剛體動力學(xué)，并作較多簡化，常用于工業(yè)機(jī)器人的初步設(shè)計。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），計算出此條件下的末端變形量、動剛度等指標(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，對于由多個軸承組成的鉸鏈單元，首先應(yīng)保證單個軸承模型的分析數(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)動器廠商均不提供伺服包和驅(qū)動電路的細(xì)節(jié)，使得驅(qū)動器與伺服電機(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)計過程中還需要針對同類產(chǎn)品常用評價指標(biāo)進(jìn)行核算或優(yōu)化設(shè)計。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)計者可以先基于典型工況進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，然后采用國標(biāo)和企標(biāo)進(jìn)行評估。

一種常用的設(shè)計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)；然后通過多體動力學(xué)軟件仿真上述典型動作，計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)計方法是評估在給定速度和加速度指標(biāo)時末端可能發(fā)生的最大變形以及電機(jī)所需力矩。較保守的設(shè)計是選取最惡劣工況，采用運(yùn)動靜力學(xué)方法進(jìn)行評估。但是考慮到大部分工作空間不會同時出現(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，通過動力學(xué)仿真評價機(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，評價控制參數(shù)對于各種擾動下的魯棒性[7]。后一類評價指標(biāo)涉及了閉環(huán)穩(wěn)定性、力矩波動和定位誤差等，因此是第一類評價指標(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)計既復(fù)雜也簡單，重要的是正確地理解機(jī)器人設(shè)計中的優(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)計需求。