基于结构与动力统一描述的机械臂轻量化理论与实验研究

Robotic arms have widely used for the industrial productions and service applications, and provided with significant engineering applicant values. Featured by the lightweight design, robotic arms could help save the energy consumption and commercial cost, which are able to better satisfy the requirements of future development. However, most researchers have been investigated either on its structure or on its drive when the lightweight feature of robotic arms is explored, and not studied an unified descriptions on the structure and drive, ignoring its influence on the lightweight design of robotic arms. This project takes a robotic arm as research object, and puts emphasis on the lightweight theory of robotic arms and how to achieve the lightweight design under specific constraints, on the basis of an unified descriptions of structure and drive, and mass distribution of robotic arms. Details are as follows: establish the kinematic, static and dynamic models of the robotic arms by using the mechanical principle, and simultaneously study an unified description on structure and drive of the robotic arms; present a closed-loop structural model integrated structural stiffness and compensation stiffness, and explore an optimum design of the lightweight robotic arms based on the unified description on the closed-loop structure and drive; then obtain the theoretical solution of the lightweight robotic arms by using optimum design, and then try to manufacture a experimental setup and measure its performance, finally ascertain the general method of the lightweight design of robotic arms. The project aims at the unified description on the structure and drive of robotic arms, based on which the lightweight design of the robotic arms is studied, to provide a new theoretical principle for the design of more compact, lightweight and energy-efficient robotic arms.

机器人手臂大量应用于工业生产与服务业等领域，具有重要的工程应用价值，其轻量化设计可以节省能源与经济成本，符合未来发展的需求；然而，大多数学者在研究机械臂轻量化时将结构与动力分别进行研究，没有研究机械臂结构与动力的统一关系及其对轻量化的影响。本项目以机械臂为研究对象，基于结构与动力统一描述及其质量分布规律基础上，探究机械臂在具体约束条件下轻量化理论与实现方法。具体内容包括：利用力学原理建立机械臂的运动学、静力学和刚柔耦合动力学模型，同时，要研究机械臂结构与动力的统一描述方法；建立一个集成了结构刚度与动态补偿刚度的闭环结构模型，探究基于闭环结构与关节动力统一描述的机械臂轻量化优化设计；优化设计得到轻型机械臂的理论模型，通过实验研究，确定机械臂轻量化设计的一般方法。本项目旨在研究机械臂的结构与动力统一描述方法，并依此研究机械臂的轻量化设计理论，为设计更加紧凑、轻型与节能的机械臂提供新的理论基础。

机器人手臂大量应用于工业生产与服务业等领域，具有重要的工程应用价值，其轻量化设计可以节省能源与经济成本，符合未来发展的需求；然而，大多数学者在研究机械臂的轻量化时将结构与动力分别进行研究，没有研究机械臂的结构与动力的统一关系及其对轻量化的影响。本项目以机械臂为研究对象，基于结构与动力统一描述及其质量分布规律基础上，探究机械臂在具体约束条件下轻量化理论与实现方法。.具体内容包括：利用力学原理建立机械臂的运动学、静力学和刚柔耦合动力学模型，同时，要研究机械臂的结构与动力的统一描述方法；建立一个集成了结构刚度与动态补偿刚度的闭环结构模型，探究基于闭环结构与关节动力统一描述的机械臂的轻量化优化设计；优化设计得到轻型机械臂的理论模型，通过实验研究，确定机械臂的轻量化设计的一般方法。.通过研究，确定了力矩密度曲线和结构动力学可以建立机械臂的统一描述，在ANSYS和ADAMS平台里实现机械臂的统一优化算法。在此基础上，考虑铝合金结构与固定力矩密度曲线的统一优化设计，我们试制了优化的铝合金轻型机械臂；研制了碳纤维-铝合金混合机构轻型机械臂；还考虑了可变力矩密度曲线与结构的统一优化设计轻型机械臂。.统一优化设计利用了连续的动力变量，避免了很多无序计算，提高了优化计算效率；统一优化属于全局优化，能够得到全局最优值，统一优化机械臂的轻量化程度更高；但是，电机与减速机组合的动力形式驱动机械臂的轻量化是有限的。要得到更加轻量化的机械臂，需要研究人工肌肉驱动的机械臂。.本项目研究了机械臂的结构与动力统一描述方法，并依此研究机械臂的轻量化设计理论，为设计更加紧凑、轻型与节能的机械臂提供新的理论基础。