Page 36 - 工业机器人控制技术研究

R 工业机器人控制技术研究
esearch on Control Technology of Industrial Robot

机械手发生碰撞的概率很大，在奇异位置会完全失去刚度，驱动控制较为复杂。
传统的工业机器人虽然能满足使用要求，但存在质量偏大、能耗增大、负载
能力小等问题。为了解决上述问题，中国和其他国家许多学者对码垛机器人本体

进行了结构优化。结构优化设计技术是从 20 世纪 70 年代开始随着计算机技术和
有限元方法迅速发展起的一个力学分析优化方法，码垛机器人结构优化依据设计
变量不同可划分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化是以结构件外形尺
寸或者孔洞尺寸为优化对象进行结构优化。形状优化是指通过调整结构件的几何

形状来改善力学性能、降低生产成本。两者都是采用有限元法与有限元软件结合
的方法进行本体优化。码垛机器人尺寸优化主要是使用有限元软件进行辅助优化
设计，首先使用有限元软件如 ANSYS 建立机器人的动力学模型，对其进行整机
模态分析，找出机器人机械结构薄弱的部位，然后在给定运动下，研究结构不同

截面尺寸对于运动的影响，分析两者之间的关系，对截面形状尺寸进行优化，以
达到最佳运动状态，形状优化方法也与上述方法相似，是研究给定不同的结构形
状对运动的影响。
尺寸优化和形状优化是优化设计最早采用的两种方法，但存在计算量大、自

适应网格划分困难、收敛性差等问题，已经不适应现在的结构优化需求。拓扑优
化是目前最常用的结构优化方法，是根据约束条件、负载情况和性能指标，对区
域进行材料分布优化的设计方法，与尺寸优化和形状优化相比，拓扑优化是概念
设计层面的优化方法，能够在结构设计的初始阶段就得到最优布局方案，在结构

优化中有更多的设计自由度能够获得更大的设计空间，是结构优化主流发展趋势。
拓扑优化的方法有均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法等，最常用的方法是
变密度法，变密度具有过程简单、计算快等优点，其原理是首先对模型进行划分
网格，划分后的每个网格里只有 0 或者 1 两种情况。0 代表此处网格没有材料填充，

1 则代表此处网格有填充材料，然后在 0~1 进行插值，将离散问题变成为连续性
问题，用一个罚函数使得所有的中间密度单元最后趋向 0 或者 1，实现材料的分
布优化，最后使用有限元软件分析受力与变形量，然后重复以上操作，最终迭代
得到既满足最少材料又满足最大强度和刚度的结构，拓扑优化能够降低码垛机器

人的质量、提高安全使用系数、降低能耗、增强机器人的刚度和强度，为工业机
器人结构创新提供了重要的思路。
无论是尺寸优化、形状优化还是拓扑优化，在优化的过程中都是以一种优化

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