机器人结构设计的优化策略与实践

机器人结构优化设计

摘要：本文首先通过CREO软件建立机器人模型，然后通过Hypermesh对模型进行网格划分和有限元分析，采用Optistrut对该模型进行拓扑优化，使得优化后的结构模型满足设计要求的结构方案。

关键词：机器人 拓扑优化 Optistrut 变密度法

一、    模型介绍

机器人总成的材料以钢为主，其结构主要由底座、臂座、臂座板、舵机、连接体、爪座板、爪座、爪子和圆台等部分组成。通过三维软件CREO对该机器人进行建模，其建模结果如图1.2所示。

图1.1 机器人模型

图1.2 机器人模型装配图

二、Hypermesh有限元分析

将装配之后的模型图利用CREO另存为.stp格式，然后用Hypermesh的Import导入，如图2.1所示。

图2.1 导入Hypermesh的装配图

导入装配图之后，画网格之前，要先对模型进行检查和清理，为画网格清除障碍。将模型处于topo模式下，看到所有的线都是绿线，说明模型是完整的，可以画网格。

图2.2  Topo模式下的模型图

设置梁单元，点击BeamSection Collectors，建bar层，元件连接效果图如图2.3所示。

图2.3连接图

有限元分析过程如下：

1）网格划分

底座和圆台属于不太重要的部分，选择四面体网格，点3D→ tetramesh→element size为 20→interpolate；机械臂部分同样的操作步骤，将element size改为5；网格总数为32270。网格划分结果如图2.4所示。

图2.4 机械臂网格图

2）选择材料，点击Materials图标，设定参数如图2.5所示。

图2. 5 材料参数设置图

图2.6 属性设置参数图

3）设置属性，点击Properties，设置如图2.6所示。

4）把属性赋给零件，点击Components，然后点assign。

5）加约束条件spc，点击Analysis中的constraints，进行设置，如图2.7所示。

图2.7 约束条件设置图

8）设置力force，点击Analysis中的forces，进行力的加载10N，如图2.8所示。

图2.8 加载荷设置图

9）点击Analysis中的loadsteps，设置工况。

10）求解。

图2.9 应力云图                    

图2.10 位移图

三、拓扑优化

1）在optimization面板下，选择topology，创建一个设计变量，类型选择PSOLID，属性选择（3）中创建的属性；

2）在responses面板下，创建一个static displacement位移响应,node选择在第二节中（3）中的节点，并选择dof3，即在z方向的响应；同样，创建一个volume总的体积响应；

3）在dconstrains面板下，约束（2）中的位移响应，在upper bound栏打钩，设置数值为0.01379，response选择Disp，载荷步选择第二节中（8）中创建的载荷步，完成约束创建；

4）在objective面板下，response选择（2）中创建的体积响应，设置为min最小化；

5）求解完成后，即可查看优化结果，首先查看右端节点位移是否满足（3）中的约束要求如图3.1所示。

图3.1 优化之后模型

与优化之前的模型对比，机器人的大底座可以简化为与四根柱子连接在一起的独立支柱；云台的平面面积可以减少1/3左右；可以大大的减少机器人整体的质量，并满足设计的要求。

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