現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

王磊元，秦翠蘭，趙群喜，張 鵬

（新疆理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆 阿克蘇 843000）

目前，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于社會的各個(gè)領(lǐng)域，尤其是工業(yè)制造領(lǐng)域更是將機(jī)器人作為一種重要的生產(chǎn)設(shè)備[1]。因此，對機(jī)器人的質(zhì)量與性能要求越來越高。機(jī)器人的性能與質(zhì)量的好壞將直接影響作業(yè)效率與安全。要想提高機(jī)器人性能與質(zhì)量，不僅要提高機(jī)器人機(jī)械加工制造技術(shù)，更要提高機(jī)器人的設(shè)計(jì)水平。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展尤其是計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，工程機(jī)械設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)向?qū)I(yè)化、自動化和智能化方向發(fā)展[2]，也使得設(shè)計(jì)方法呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員在各類機(jī)器人設(shè)計(jì)的過程中如果不能融入新的設(shè)計(jì)方法，還是沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，不僅會影響各類機(jī)器人產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，還會影響機(jī)器人的質(zhì)量性能及作業(yè)效率。社會精細(xì)化發(fā)展對機(jī)器人的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，為更好地適應(yīng)各領(lǐng)域?qū)C(jī)器人質(zhì)量功能需求，需要對機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高機(jī)器人的設(shè)計(jì)水平。

1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述

傳統(tǒng)機(jī)器人在設(shè)計(jì)的過程中更多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)與再改進(jìn)，這種設(shè)計(jì)往往缺乏精確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和科學(xué)的計(jì)算方法，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品較笨重、效率低且可靠性較差。現(xiàn)如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)方法也推陳出新，在機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中采用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法如圖1 所示，其能夠顯著改進(jìn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中利用相關(guān)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用計(jì)算機(jī)開發(fā)的各種專業(yè)軟件對機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)，進(jìn)而為機(jī)器人生產(chǎn)制造企業(yè)設(shè)計(jì)出低成本、高性能的機(jī)器人。由此可見，過去傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法越來越無法滿足時(shí)代發(fā)展的需要。特別是當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息技術(shù)迅猛發(fā)展，信息化占據(jù)時(shí)代主流，各行業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)都與計(jì)算機(jī)相互交融，設(shè)計(jì)人員借助計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)，與專業(yè)學(xué)科結(jié)合實(shí)現(xiàn)多元化的設(shè)計(jì)方法，機(jī)器人的設(shè)計(jì)質(zhì)量明顯提高。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的顯著特點(diǎn)就是計(jì)算機(jī)信息科學(xué)技術(shù)和各種現(xiàn)代科學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)方法的與時(shí)俱進(jìn)。利用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法有助于機(jī)器人性能和質(zhì)量的提高，促使其更好地適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需要。因此，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到機(jī)器人設(shè)計(jì)中，對機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，可顯著降低機(jī)器人設(shè)計(jì)的成本，有效提高機(jī)器人產(chǎn)品性能與質(zhì)量。

圖1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

2.1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是衡量機(jī)器人設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，直接決定著機(jī)器人的應(yīng)用前景[3]。機(jī)器人既屬于精密的機(jī)械設(shè)備，又要面對復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，導(dǎo)致出現(xiàn)可靠性隱患和發(fā)生故障的概率成倍增加，例如我國成功發(fā)射的“天問一號”火星車機(jī)器人將在火星上進(jìn)行探測工作，那么在火星環(huán)境中其整體可靠性尤為重要，否則無法完成長達(dá)數(shù)月的探測工作。因此，設(shè)計(jì)人員在機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，必須進(jìn)行可靠性分析，建立正確的可靠性數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)預(yù)計(jì)值發(fā)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、電路設(shè)計(jì)有缺陷、元器件及材料選擇不合適、安全系數(shù)選擇有問題等，以便及時(shí)改進(jìn)機(jī)器人設(shè)備，進(jìn)而保證機(jī)器人使用的可靠性，提高機(jī)器人作業(yè)的安全性。火星車駛上火星表面模擬圖如圖2 所示。

圖2 火星車駛上火星表面模擬圖

2.2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及分析CAD/CAE 已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，特別在機(jī)器人設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)機(jī)器人產(chǎn)品的過程中，利用CAD 進(jìn)行機(jī)器人參數(shù)化模型設(shè)計(jì)，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段生成實(shí)體造型[4]，減少圖紙繪制的工作量，使設(shè)計(jì)人員的精力真正集中在參數(shù)設(shè)計(jì)中，顯著提高了設(shè)計(jì)的效率。此外，利用CAD 技術(shù)可以進(jìn)行三維虛擬樣機(jī)制造與虛擬裝配設(shè)計(jì)，動態(tài)干涉檢驗(yàn)和動態(tài)仿真等不需要制造出產(chǎn)品零件就可以進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而提高機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，解決工業(yè)機(jī)器人工程設(shè)計(jì)中傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法無法解決的技術(shù)難題，同時(shí)為機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)和可靠性部分分析計(jì)算提供了重要的數(shù)據(jù)和參考。三維CAD 機(jī)器人參數(shù)化模型設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 三維CAD機(jī)器人參數(shù)化模型設(shè)計(jì)

2.3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之有限元法

機(jī)器人目前廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器人在不同領(lǐng)域的作業(yè)過程受到多種因素的影響，導(dǎo)致了機(jī)器人不同部位各結(jié)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜。例如機(jī)器人作業(yè)的過程中，其受力結(jié)構(gòu)與工作載荷表現(xiàn)得較為復(fù)雜。在對其受力狀況分析的過程中，若是使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，則只能對其表面狀況進(jìn)行分析，不能實(shí)行全方位的分析。由此可見，傳統(tǒng)的分析方法具有一定的局限性。因此，在機(jī)器人生產(chǎn)中利用有限元法對設(shè)計(jì)的機(jī)器人各結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析，分析結(jié)果精度高、可視化、可靠性強(qiáng)，通過使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法——有限元法的設(shè)計(jì)，可以清晰地知道機(jī)器人結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，盡早發(fā)現(xiàn)可能的潛在故障，并針對薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，從而提高機(jī)器人產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平[5]。并聯(lián)機(jī)器人有限元應(yīng)力分析圖如圖4所示。

圖4 并聯(lián)機(jī)器人有限元應(yīng)力分析圖

2.4 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之ADAMS仿真

機(jī)器人仿真的目的在于快速、高安全性地對真實(shí)作業(yè)場景進(jìn)行模擬驗(yàn)證，提高工作效率，尤其是在難以到達(dá)或者復(fù)雜危險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行精準(zhǔn)高效率作業(yè)，更離不開生產(chǎn)制造前的反復(fù)模擬仿真驗(yàn)證。ADAMS 是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的運(yùn)動仿真軟件，通過ADAMS 建立虛擬樣機(jī)模型，能很好地對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，仿真的結(jié)果以動畫的形式顯示出來。設(shè)計(jì)人員可以更直觀地觀察其真實(shí)運(yùn)動過程[6]，進(jìn)行運(yùn)動分析，研究其運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)行合理優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果信息反饋到機(jī)器人設(shè)計(jì)制造的過程中去，不僅可縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，也能大大節(jié)省機(jī)器人研發(fā)費(fèi)用和成本。工業(yè)機(jī)器人ADAMS 運(yùn)動仿真如圖5所示。

圖5 工業(yè)機(jī)器人ADAMS運(yùn)動仿真

2.5 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之智能設(shè)計(jì)

隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人面對的作業(yè)環(huán)境變得越來越復(fù)雜與不確定，對機(jī)器人自動化、智能化的需求也越來越高。目前，人工智能技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的前沿科技領(lǐng)域，現(xiàn)在的機(jī)器人正在逐步向智能化方向發(fā)展。傳感檢測、模式識別、深度學(xué)習(xí)和自主決策功能等智能技術(shù)，使其能夠產(chǎn)生類似人類的智能大腦，模仿人類各種感官功能動作[7]，使機(jī)器人擁有自我學(xué)習(xí)和獨(dú)立工作的能力，能夠勝任人類難以到達(dá)或者復(fù)雜危險(xiǎn)領(lǐng)域無法勝任的工作，其高效率和高精度的操作過程是人類無法完成的，這大大提高了人類的生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量。未來機(jī)器人的智能化將創(chuàng)造更大的社會價(jià)值，對社會產(chǎn)生更積極的促進(jìn)作用。

2.6 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之綠色設(shè)計(jì)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，“綠色、環(huán)保、低碳”的可持續(xù)發(fā)展理念已成為世界各國的普遍共識，綠色設(shè)計(jì)、綠色制造已逐漸成為世界各國各領(lǐng)域的新的制造模式[8]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法制造更多追求經(jīng)濟(jì)利潤，忽視環(huán)保的重要性，造成資源大量浪費(fèi)和環(huán)境污染，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法就是要將綠色理念融入到產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)之中，包括產(chǎn)品的綠色材料選擇設(shè)計(jì)、綠色制造過程設(shè)計(jì)、綠色可回收和重復(fù)性使用設(shè)計(jì)等[9-10]。在機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員盡可能采用綠色理念合理優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和方案，使得設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有良好的環(huán)境屬性，使資源消耗和環(huán)境負(fù)影響降到最低。因此，綠色設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

總而言之，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中還包含了其他的多種設(shè)計(jì)方法，較為常見的有創(chuàng)新設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)及相似性設(shè)計(jì)等等。因此，在機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)不同機(jī)器人的功能、作業(yè)環(huán)境等實(shí)際情況，合理運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出有效的機(jī)器人產(chǎn)品，從而提高機(jī)器人的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。