工業機器人設計平臺系統集成體系結構研究

葛 昕，尹作重，羅振軍，王培剛，趙 超

（1.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120；2.杭州娃哈哈精密機械有限公司，杭州 310000；3.山東山大華天軟件有限公司，濟南 250101）

0 引言

工業機器人的傳統設計方法采用串聯和反復的流程，其主要步驟包含任務分析、技術調研、方案評審、計算選型、繪制草圖、草圖評審、機械設計、圖紙審核、工業機器人試制、檢驗等十個階段。工業機器人的傳統設計方法與復雜機電設備的設計流程基本相符，主要存在的問題如下：在設計階段缺乏靜力學、動力學等方面的仿真分析和模型驗證；在工業機器人設計研發過程中，產品的質量跟設計人員的經驗和水平密切相關；正向設計效率不高。

國際上工業機器人CAD/CAE開發設計軟件，根據對用戶自主二次開發支持的程度不同，主要分成開放型、中間型和封閉型。一些開源軟件平臺采用完全開放的商業模式，例如Salome等采用GPL授權；而商用CAD/CAE公司則采取比較封閉的模式，用戶擴展的空間非常有限；基于Modelica的CAD/CAE軟件采用中間型模式，即部分功能的二次開發完全開放，而部分功能可以通過加密進行保護。

由于國內的汽車、發動機等關鍵行業和領域的市場長期被UGNX、CATIA、PRO/E等歐美軟件廠商所壟斷，這直接導致國產三維CAD系統的市場份額較小，發展相對緩慢。同時我國航天、軍工等企業受到國外高端CAD/CAM軟件的限制或封鎖，國外CAD軟件限制訪問底層模型，致使國內企業難以將制造技術軟件化。

隨著“十一五”、“十二五”期間國家對三維CAD技術的大力支持，多家軟件企業已經掌握了三維CAD系統的內核或源代碼，基礎功能得到鞏固，在軟件的易用性、可定制性、維護服務等方面具有國外軟件所不能比擬的優勢，這為發展國產高端CAD系統提供了重要契機。因此，為提高我國工業機器人產品創新能力，急需在國產CAD內核的基礎上，積極研究并開發具有中國特色的工業機器人設計開發平臺，著力解決機器人本體優化設計及系統集成技術等關鍵技術問題，打破國外軟件在工業機器人高端市場的壟斷。

工業機器人設計研發平臺是以高速、高精、重載等高性能工業機器人發展需求為牽引，以三維計算機輔助設計建模（CAD）以及運動學、計算機輔助設計仿真分析（CAE）算法等為核心工具，攻克工業機器人建模和仿真、動力學仿真設計、高性能幾何造型內核、知識驅動的設計導航等系列核心技術的基于CAD/CAE技術融合的工業機器人數字化設計平臺，工業機器人設計研發平臺針對目前工業機器人開發周期長、設計研發集成水平不高、研發關鍵流程不連續的現狀，彌補傳統工業機器人設計方法的不足，提高工業機器人產品的研發效率，進一步提升我國工業機器人正向設計能力。

本文圍繞著工業機器人正向設計研發的需求，基于先進的計算機輔助設計、靜力學分析、動力學分析軟件，結合工業機器人數字化設計平臺的體系結構和設計流程中的具體特點，對工業機器人數字化設計平臺設計流程、參考體系結構、平臺集成數據等內容進行了研究，并提出了機器人設計平臺的體系結構設計方案，該方案覆蓋了工業機器人設計過程用戶需求分析、概念設計、結構設計、模型驗證、仿真分析等多個關鍵步驟，該平臺方案可以提高工業機器人的設計過程的數字化和智能化程度，對于工業機器人設計開發平臺研發過程具有參考作用。

圖1 工業機器人設計平臺的設計流程

1 工業機器人設計平臺系統設計流程

通過對工業機器人本體生產企業的調研工作，并結合國內外機器人數字化平臺的現狀，工業機器人設計平臺的流程包含有7個關鍵階段，這7個關鍵階段包括用戶需求分析階段、產品概念設計階段、產品結構設計階段、數字模型驗證階段、計算機輔助仿真階段、機電耦合設計階段、優化設計階段[1]，如圖1所示。下面對這7個關鍵階段進行描述。

1）用戶需求分析階段

在本階段，主要是對用戶的需求進行分析，設定機器人的基本性能參數，比如要確定工作空間的大小，明確機器人的運動規律，確定機器人的負載能力，設定機器人的精度、靈活性要求等內容。這些內容明確后，將這些性能參數作為下一個階段的輸入條件，進入下一個設計階段。

2）產品概念設計階段

在產品概念設計階段，主要內容是進行理論建模，并規劃運動軌跡，進一步設定運動規律，并根據用戶需求分析階段的結果，對機構進行初步尺度參數規劃，在尺寸規劃的基礎上，對機構的逆運動學和逆動力學進行求解計算，根據求解的結果，確定機器人的驅動參數數據，并根據機器人的驅動參數數據，選擇合適的電機、減速器等核心零部件。將這些數據作為下一個階段的輸入條件，進入下一個設計階段。

3）產品結構設計階段

在產品結構設計階段中，得到上一階段即概念設計階段的結果，首先進行常用件的選型，然后進行標準件的選型，結合選型元件的尺寸參數，在計算機輔助設計軟件中進行零部件的設計，設計完成后進行自動化裝配仿真分析，通過自動化裝配仿真分析對機構進行靜態干涉檢查分析，判斷機器人的裝配體是否存在干涉問題，如果存在干涉問題，需要與計算機輔助設計軟件交換，解決問題后進入下一個階段。

4）模型驗證階段

在模型驗證階段中，主要任務是對結構設計階段的結構體模型進行運動仿真驗證，以驗證運動學建模的正確性。首先接收上一階段的結構模型數據，進行運動仿真分析，根據運動仿真的結果，判斷運動仿真得到的末端軌跡是否與理論軌跡相符合，如果仿真結果與理論軌跡相符，則進入下一階段，如果不符合，則需要進入結構設計階段，對機器人的零部件模型數據進行修改。

5）計算機輔助分析仿真階段

在計算機輔助分析仿真階段中，主要是對結構設計階段的機器人裝配體模型數據進行簡化處理，并將簡化后的結構模型數據導入到計算機輔助仿真分析軟件中，并進一步建立起有限元分析模型，對機器人零部件模型數據進行全域靜剛度、全域模態、瞬態動力學仿真分析等分析，預估機器人的靜動態特性等性能參數，為后續優化設計提供支撐。

6）機電耦合設計階段

在機電耦合設計階段中，主要是在計算機輔助分析仿真系統中引入控制系統的數據信息，然后結合整機瞬態動力學仿真對機器人結構體模型進行機電耦合等動力學仿真分析，根據仿真分析的結果為依據，用來判斷機器人的整機性能是否達到了用戶的要求，如果達到要求，則進入下一階段，如果沒有達到要求，則返回修改。

7）優化設計階段

在優化設計階段中，首先設定機器人整機的優化目標及指標，然后根據設定的目標進行試驗設計，接著對機器人的關鍵零部件的結構優化、控制參數的優化、響應面的優化和靈敏度分析等工作，最后得到優化后的機器人整機的模型參數數據。

圖2 工業機器人設計平臺參考體系結構

2 工業機器人設計平臺的參考體系結構

工業機器人設計平臺的設計流程主要包括用戶需求分析階段、概念設計階段、結構設計階段、數字模型驗證階段、計算機輔助仿真階段、機電耦合設計階段、優化設計階段等關鍵環節。

如圖2所示，工業機器人數字化設計開發平臺是一個集成了計算機輔助設計軟件、計算機輔助分析系統、計算機輔助仿真分析系統、優化設計仿真分析等系統的綜合集成體系，工業機器人設計平臺參考體系主要分為設計仿真導航、設計仿真集成和數字化設計支撐數據/模型庫三個層次[2]。

1）工業機器人數字化設計平臺支持數據庫/模型庫層

工業機器人數字化設計平臺支持數據庫/模型庫層建立數據庫，用來存儲和管理可重用的數學計算模型、設計知識、零部件數據模型、設計導航流程模型等內容。

2）工業機器人數字化設計/仿真集成層

工業機器人數字化設計與仿真集成層主要為針對工業機器人設計流程的關鍵環節提供設計和仿真支持，主要包括了概念設計、結構設計、數字模型驗證、計算機輔助仿真、機電耦合設計、優化設計等功能模塊，該層是整個工業機器人數字化設計研發平臺的核心層。

3）機器人數字化設計/仿真導航層

設計/仿真導航層根據工業機器人設計研發的7個關鍵階段，為用戶提供工業機器人專業功能以及工業機器人典型產品和零部件的設計向導，主要包括設計/仿真流程知識庫和工程案例庫，工程案例庫具有大量的各種工業機器人實際的設計和仿真過程。該模塊在工業機器人設計平臺中為設計/仿真流程提供指導，根據已有的流程知識庫的內容，可以減少在新的工業機器人產品設計和仿真過程中的重復勞動。

3 工業機器人設計平臺的體系結構設計方案

如圖3所示，工業機器人設計平臺的體系系統由下至上主要包括基礎層、核心層、框架層、通用功能層和行業應用層五部分。

1）基礎層

基礎層主要對機器人設計平臺起到支撐作用，管理相應的存儲管理、圖形顯示、與操作系統的交互和系統日志等。

2）核心層

核心層主要包括各種模型、工程圖、加工、分析等函數庫，以及與各類函數庫相關的顯示、數據庫管理和開發等，它是上層功能實現的基礎，也是機器人設計平臺的核心部分。

3）框架層

框架層通過GUI、命令管理、參數化管理、插件管理、調度管理和監控等模塊對機器人設計平臺進行開發、管理和優化。

4）通用功能層

通用功能層提供了通用建模、工程圖、裝配建模、設計導航、數據交換等通用功能，涵蓋企業進行設計和制造的基礎功能模塊。

5）應用層

應用層則是建立典型產品或零部件的設計系統，可提供專業功能以及典型產品和零部件的設計向導。在搬運、焊接等典型應用工業機器人設計研發過程中，逐漸完善支持自定制的流程，不斷豐富設計導航模板庫、零部件模型數據庫、運動規律模型庫、控制器結構參數庫、分析仿真模板庫等基礎數據，逐漸形成面向工業機器人領域的專業化的數字化設計平臺。

表1 工業機器人設計平臺集成數據

4 工業機器人設計平臺集成數據

如表1所示，工業機器人設計平臺集成的數據主要包括幾何模型數據、計算機輔助分析模型數據、參數化數據、多體動力學模型數據、設計需求模型數據、工作流數據、數據流數據、仿真結果數據、工具庫、知識庫等。

計算機輔助設計系統和計算機輔助分析系統的幾何模型文件分別描述一個產品模型的不同屬性和范圍，在描述零部件的幾何信息的差別在于其側重點不同。在計算機輔助設計系統中，幾何模型文件主要是對產品的開發過程和管理方面的規范性描述，著重于對實體的幾何外形的描述， 計算機輔助設計系統中的幾何信息是經過處理的，其重要特征是在設計與分析的產品定義范疇間共享信息，還包括了在外形表達的基礎上對復合材料的外形進行表達。基于幾何模型文件作為中性文件，完成計算機輔助設計系統到計算機輔助分析系統的集成，需要通過幾何模型的映射和轉換進行實現，主要流程包括對模型文件的幾何信息提取、幾何信息處理、幾何信息轉換等關鍵環節。

5 結論

本文對工業機器人數字化設計平臺設計流程、參考體系結構、機器人設計平臺集成數據等內容進行了研究，并提出了機器人設計平臺的體系結構設計方案，該方案覆蓋了工業機器人設計過程中的包括用戶需求分析、概念設計、結構設計、模型驗證、仿真分析等多個關鍵步驟，對于工業機器人設計開發平臺系統集成體系結構具有參考作用，可以應用在工業機器人設計研發平臺的實際開發工作中。

[1]陳落根.數字化設計平臺中的CAD與CAE集成技術研究[D].天津:天津大學,2013.

[2]李博.并聯機器人數字化設計平臺關鍵技術研究[D].天津:天津大學,2014.