工业机器人机械臂拓扑优化设计

工业机器人机械臂拓扑优化设计
摘要：如今，工业机器人正不断向高精度和高速度的方向发展。

因此，工业
机器人在不断提高控制性能的同时，更要不断优化其机械结构，以满足工业机器
人发展的需求。

机械臂作为支承和带动运动的部件，要求具有较高的静态刚度和
动态固有频率，以减小工作中的变形与振动，提高整机的运行精度，这也是其优
化设计的重点和难点。

基于此，本篇文章对工业机器人机械臂拓扑优化设计进行
研究，以供参考。

关键词：工业机器人；机械臂拓扑；优化设计
引言
近年来，伴随着工业的发展进程，制造业劳动成本直线上升，劳动成本的增加，导致电子加工企业的盈利水平大大下降，劳动力成本的增加给企业发展带来
极大压力，使得企业急需用工业机械臂取代人工来降低产品成本。

机械臂作为机
器人领域中使用最广泛的一种机械装置，被应用在各个行业，从工业生产中的仓
库管理、汽车制造，到农业生产中的码垛和瓜果产品的采摘分拣。

在工业生产中，许多工厂都是使用示教法对机械臂进行控制的，即事先通过手动拖拽或是使用示
教器调整的方式，移动机械臂到达每一个目标位置，并保存各个目标的位置信息，然后在使用时机械臂会按照目标点的顺序移动。

为了实现更灵活的机械臂应用，
越来越多的研究人员开始将人工智能的数据驱动的方法应用在机械臂的控制中。

1搬运机器手控制系统设计分析
搬运机械手的工作原理是X轴电动机将动力传递给X轴，Z轴电动机将动力
传递给Z轴。

框架围绕底座旋转，电磁铁是记录电子元件的执行器。

机械手工作时，首先点击触摸屏上的复位按钮，驱动模块接收主控模块的复位指令，并在工
作台注塑前吸附电子元件夹具。

为防止机械臂在工作过程中的电子元器件与工作
台产生摩擦，当将机械手上升到工作台面上方的一定位置之后，再驱动Z轴使机
械手到达指定位置——注塑机，然后断开电磁铁的电力，机械手返回原位，将电
子元器件夹具拾取起来。

2工业机器人小臂加强装置优化设计与建模
工业机器人小臂加强装置由上机械套和下机械套组成；上机械套和下机械套
通过螺栓组件连接在一起，同时为了减轻工业机器人小臂加强装置的质量，在上
下机械套开有一些减重槽以及卡槽，为了解决工业机器人在高温、潮湿、酸性或
碱性环境下，机械臂上自带的油管、气管等。

管路暴露于工作环境中，容易受到
腐蚀、老化等问题，设计两根可拆卸的金属管道。

使用金属管道代替常用的油管、气管等管路，防止塑胶气管腐蚀、老化，该管道与工业机器人小臂贴合，可通过
加强装置的螺栓锁紧连接而固定形成一个整体。

3机械臂结构分析流程
机器人适用于机械、电子等快速搬运和装配领域。

其机械臂结构分析与拓扑
优化流程主要分为以下几个步骤：（1）建立机器人三维模型；（2）在极端工作
条件下对机器人机械臂进行静力学分析和模态分析；（3）进行多目标拓扑优化
及模型重建；（4）对优化后的机械臂进行静力学分析和模态分析，并判断是否
满足要求；（5）对比优化后的大臂与原模型的分析结果，确认优化结构。

4工业机器人搬运模块分析
工业机器人搬运模块采用ABB-IRB1400机器人，包括机器人本体、控制柜、
示教器、快换夹具等部分，具体工作流程如下：从零件区到流水线。

系统开始运
行后，PLC开始工作，搬运机器人获取立体仓库工件信息。

根据工件信息选取不
同的快换工具，到立体仓库零件区相应工位抓取焊接工件，将工件放置到流水线
检测起始位置A。

传感器检测到工件放置到位后，向PLC发送信号，在PLC控制
下启动流水线。

从流水线到焊接模块。

焊接工件经过视觉检测模块后，生成焊接
工装位置信息。

搬运机器人从流水线检测结束位置B抓取工件，放置到焊接模块
相应的自动工装夹具位置，传感器检测到工件放置到位后，向PLC发送信号，在PLC控制下夹紧焊接工件。

从焊接模块到成品区。

工业机器人焊接流程结束后，
向PLC发送信号，控制搬运机器人移动到指定位置。

从焊接模块抓取焊接完成工
件到完毕后发出信号，搬运机器人将工件搬运至流水线检测起始位置A。

检测合格后，将工件从流水线运送到检测结束位置B，然后放置到成品区。

检测合格不合格，放置到废品区，并发出报警。

5工业机器人机械臂拓扑优化设计策略
5.1测试自动化框架总体结构
机器人装置由操作台、摄像头、XY二维运动机械臂和触屏笔组成。

操作台提供平稳的操作环境，能够保持机械臂、被测设备处于同一平面内。

操作台上搭建有一个支撑架，以灵活调整摄像头位置。

摄像头是可变焦摄像头，在测试过程中固定焦距使用，能够在测试过程中平稳获取触屏设备屏幕的状态。

XY二维运动机械臂由两个步进电机控制机械臂在操作台平面上的运动，机械臂的运动基于HBOT 结构，空间利用率高，运动速度也比较快，并由一个舵机控制触屏笔的升降，实现对人类手势动作的模拟。

触屏笔是主动电容触屏笔，能够在各种触控屏幕上工作，并引发屏幕的响应。

被测触屏设备可以是Android手机、iPhone、平板或者各种掌上游戏机等。

在机器人装置中，摄像头和XY二维运动机械臂通过USB接口连接到测试工作站。

测试过程中无需通过网络、SUB接口等任何形式获取被测设备内部系统信息，实现了真正意义上的对被测设备的非侵入式测试。

5.2机械臂拓扑优化数学模型的建立
对工业机器人的机械臂进行拓扑优化，应以确保机械臂柔度最小为前提，寻求合理的结构分布。

同时，以材料优化的体积比为约束条件，将单元的相对密度下限值设置在0～1。

如果材料的相对密度小于下限值，材料将被去除；如果材料的相对密度大于下限值，则将被保留下来。

所以，本文将以最小柔度C作为优化的目标函数，并将优化时材料的体积缺省比K设置为约束条件，建立工业机器人机械臂拓扑优化的数学模型。

5.3机械臂关节空间轨迹规划
对于工程机械用机器人来说，可以用来进行轨迹规划的空间主要有两种：关节空间和笛卡尔空间。

笛卡尔空间内获取关节位姿、加速度等信息需要通过频繁
转换坐标系的方法，计算量非常大，轨迹规划步骤非常复杂。

相较而言，在关节
空间中规划轨迹较为简便，并不存在机构奇异性问题。

5.4机械臂拓扑优化过程
结合机械臂与其他部件的装配情况，可以将其分成拓扑排除区域和优化区域。

拓扑优化是一个不断迭代和循环求解的过程。

机械臂经过18次迭代目标函数收敛，得到了机械臂拓扑优化后材料分布情况。

机械臂材料分布呈不规则的孔洞结构。

以此材料分布形式为依据，结合加工制造等工艺因素，对机械臂进行二次设计，重构其结构参数，最终确定其结构模型。

与原结构相比，此模型机械臂各区
域的材料分别有所增减，使结构材料获得了优化配置。

经计算，机械臂新结构质
量为28.76kg，比原结构质量（33.18kg）降低约13.3%，质量减轻的效果明显。

5.5执行装置
控制台是捕捉工件并满足相关处理和装配要求的一种装置。

合理利用相关的
材料转移方法和手段，能够有效地处理和转移危险化学品，使现场作业人员健康
安全，操作合理，节约劳动力，提高生产效率，保证产品质量。

所以，设计一款
小型化、便携、功能齐全、安全可靠的执行工具显得尤为重要。

为了准确、灵活
地完成工作，开发了水平夹紧和垂直夹紧两套导轨。

机械手的驱动装置为气缸，
气缸为双缸式结构，能够在使用中有效增大爪杆的运动性能。

5.6载荷的施加
通用六自由度工业机器人在小臂水平、大臂垂直的姿态下执行末端所产生的
变形量最大，因此选择该姿态来进行受力分析，能够最大程度地接近小臂极限工
作负载情况。

考虑安全系数，因此对小臂铰链联接处施加1200N的力用于模拟实
际负载，方向与重力方向一致。

相应的设有顺时针旋转的转矩，大小为240N·m。

5.7模型训练
通过深度强化学习算法进行训练得到机械臂的控制模型（一个深度神经网络），其动作是机械臂各转动轴的转动角度，而对于状态向量和奖励函数形式的
选取，我们通过经验使用不同的设置方式进行训练。

由于深度强化学习算法的训
练过程是异常耗时的，通过对训练模型采取不同的状态向量和奖励函数形式来寻找合理的设置方式，使得训练时长成倍增长。

为了大幅缩减训练时间，我们提出了先在不具备物理属性的2D机械臂仿真模型上进行训练，这一过程主要目的是找到合理的状态向量和奖励函数设置方式，然后基于此设置方式，将其迁移到具备物理属性的3D仿真环境中进行训练，3D仿真环境中的机械臂和现实世界的真实机械臂在物理属性上已经非常接近。

5.8系统维护
在该系统的长期使用中，即使机器人始终维持在预设参数范围运行，部分组件仍有磨损和损坏的可能。

系统应配备预警系统，防止由组件损坏带来的危险。

同时3D摸拟机器人软件，可以用来排查损坏的零件以及常规运行中可能出现的风险，从而做到快速维修以及风险规避。

结束语
综上所述，机器人的机械臂强度可以通过叠加加强装置提升。

在小负载时不安装加强装置，用于节约能源；在较大负载时安装加强装置，用于保证机器人工作稳定可靠；同时在安装一个加强装置都不满足强度要求时，可以叠加安装加强装置，保证工作顺利进行。

综上所述，加强装置可以根据工业机器人的电机负载能力以及机器人末端的载荷需要进行匹配安装，可以有效地降低机器人的机械臂的重量，还能在恶劣工作环境中较好地保护电气管路。

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