基于仿真的工业机器人结构可靠性设计优化方法.doc

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完成时间20年月日

Simulation-BasedReliabilityDesignOptimizationMethodforIndustrialRobotStructuralDesign

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基于仿真的工业机器人结构可靠性设计优化方法

Li-XiangZhang,Xin-JiaMeng,Zhi-JieDingandHong-XiangHan

摘要：机器人是工业中的主要部件。机器人的设计优化研究在制造业有着重要的意义。机器人设计中不可避免地存在各种不确定性，对机器人的可靠性有着重要的影响。目前，考虑不确定性的机器人设计优化主要集中在关节设计和轨迹优化两个方面。然而，在机器人的结构设计中，确定性的设计优化仍然起着主导作用。为了提高机器人结构设计的可靠性，本文提出了一种基于仿真的可靠性设计优化方法。在该方法中，将Latin超立方体抽样(LHS)、计算机模拟、响应面法(RSM)和SORA(se-quential最优化和可靠性评估)算法相结合，完成了机器人的结构设计。首先，通过LHS获取不确定性设计变量的样本，然后通过RSM建立可靠性性能约束函数，采用MTlab和ANSYS联合仿真，建立了基于概率可靠性理论的可靠性设计优化模型，最后采用SORA算法实现了可靠性优化。对6kg工业机器人的大臂和小臂的设计优化问题进行了验证，结果表明，与原设计相比，大臂和小臂的重量分别减少了7.73%和25.70%，与确定性优化相比，该设计更有效地保证了可靠性要求。结果还表明，与双环法可靠性设计优化相比，该方法具有更好的计算效率。

关键词：工业机器人；可靠性设计优化；大臂；小臂；计算机仿真

1.导言

由于柔性制造系统是近年来迅速发展起来的，工业机器人在各种制造场景中扮演着越来越重要的角色。工业机器人的现代应用包括焊接、装配、涂装、机械加工等.工业机器人应用的不断扩展带来了新的挑战，如响应速度快、能耗低、鲁棒性强等。机器人的身体设计对机器人的性能有着直接的影响，而优秀的机器人身体设计通常被认为是良好性能的重要基础[2]。因此，高效工业机器人设计方法的发展越来越引起人们的广泛关注。无论是设计优化技术还是基于仿真的设计技术，都能有效地支持工业机器人的设计和发展。另外，仿真技术和机器人设计优化技术作为工业4.0[3-5]的主要组成部分，对制造业的发展具有十分重要的意义。

在汽车等许多产品设计中，设计优化技术作为一项重要的技术手段，已被广泛应用于改进设计和降低成本方面。

设计、飞机设计、船舶设计等，由于其突出的优点，使得越来越多的设计优化方法被应用于机器人车身设计中。萧等人[6]提出了一种基于代理的进化优化方法，该方法将响应面法与多目标进化算法相结合。该方法不仅提高了机器人手臂的性能，而且减轻了机器人的负担。Kourtem等人[7]提出了一种工业机器人的多目标设计机制。该设计机构考虑了初始成本、运行成本、应力分析和振动分析，从而为工业机器人臂选择了最佳的材料和物理尺寸类型。梁等人[8]提出了一种考虑柔性关节对机器人动力学影响的机器人手臂结构优化方法。Bugday和Karali[9]对不同的机器人臂设计进行了分析，它们的几何形状和材料都发生了变化，其结果表明，采用优化技术提高了机器人的成本、效率和电机寿命。

除了优化设计外，仿真设计也是现代产品设计中常用的一种先进技术。基于仿真的设计实际上是用来预测产品的行为和结果[10]。计算机仿真设计得益于计算机技术的发展，在现代机械产品设计中得到了广泛的应用，大大提高了设计效率和产品质量。与大多数机械产品设计相似，工业机器人的设计也广泛采用计算机仿真方法。[11]使用了商用CAD平台Toperform，初步设计了一种机器人夹持手指。Brathikan等人[12]使用动力学仿真软件ADAMS分析了五轴工业机器人手臂的运动学。Shu等人[13，14]利用ANSYS工作台有限元法对六轴工业机器人进行应力、模态和振动分析，优化了机器人的性能。[15]在分析vonMises应力应变的基础上，利用ANSYS仿真软件对机器人手臂的设计进行了改进。Shanmugasundar等人[16]提出了一种考虑强度、刚度和机器人重量的五自由度焊接机器人结构优化设计框架。

上述机器人结构优化与仿真设计研究是在确定性分