工业机器人臂部静动态多目标拓扑优化设计研究.pdf

网络出版时间：2015-12-3111:04:19

２０１６年２月机械科学与技术Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１６

网络出版地址：/kcms/detail/61.1114.TH1104.042.html

第３５卷第２期ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３５Ｎｏ．２

ＤＯＩ：１０．１３４３３／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３⁃８７２８．２０１６．０２１５

工业机器人臂部静动态多目标拓扑优化设计研究

王春华，安达，赵东辉

（辽宁工程技术大学机械工程学院，阜新１２３０００）

摘要：为兼顾工业机器人臂部更高静动态特性和更低自重的要求，基于ＳＩＭＰ变密度法拓扑优化，

运用相对差值的数学方法，构建了提高结构静态各工况刚度和动态各阶固有频率的多目标拓扑优

化数学模型。以ＭＯＴＯＭＡＮ⁃ＨＰ２０工业机器人的Ｌ臂为研究对象，对其进行静动态多目标拓扑优

化设计，获得Ｌ臂新结构方案。分析表明：Ｌ臂新结构静态各工况的刚度和动态各低阶固有频率都

得到提高，同时Ｌ臂减重１５．５％，实现了轻量化。并且相对差值法的运用有效避免了在多目标优化

过程中大数量级目标支配优化结果的问题。

关键词：工业机器人臂部；多目标；拓扑优化；相对差值法

中图分类号：ＴＨ１２２文献标识码：Ａ文章编号：１００３⁃８７２８（２０１６）０２⁃０２４１⁃０６

Ｓｔａｔｉｃ⁃ｄｙｎａｍｉｃＭｕｌｔｉ⁃ｏｂｊｅｃｔｉｖｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆ

ＴｏｐｏｌｏｇｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＲｏｂｏｔ′ｓＡｒｍ

ＷａｎｇＣｈｕｎｈｕａ，ＡｎＤａ，ＺｈａｏＤｏｎｇｈｕｉ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ１２３０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｂｅｔｔｅｒｓｔａｔｉｃ⁃ｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｌｏｗｅｒｗｅｉｇｈｔｆｏｒａｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔ′

ｓａｒｍ，ｗｅｕｓｅｔｈｅＳＩＭＰ（ＳｏｌｉｄＩｓｏｔｒｏｐｉｃＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈＰｅｎａｌｉｚａｔｉｏｎ）ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｈｅ

ｒｅｌａｔｉｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉ⁃ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｗｅ

ｒｅｇａｒｄｔｈｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｕｎｄｅｒｍｕｌｔｉ⁃ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｓｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ．Ｗｅ

ｓｔｕｄｙｔｈｅＬ⁃ｓｈａｐｅａｒｍｏｆｔｈｅＭＯＴＯＭＡＮ⁃ＨＰ２０ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｉｔｓｓｔａｔｉｃ⁃ｄｙｎａｍｉｃｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｔｈｕｓ

ｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＬ⁃ｓｈａｐｅａｒｍ．ＴｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｂｏｔｈｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｔｈｅＬ⁃ｓｈａｐｅ

ａｒｍｕｎｄｅｒｍｕｌｔｉ⁃ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｉｔｓｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄｔｈａｔｉｔｓｗｅｉｇｈｔｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙ１５．５％．Ｔｈｅ

ｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｏｒｄｅｒｏｆｍａｇｎｉｔｕｄｅｄｏｍｉｎａｔｅｓｔｈｅｍｕｌｔｉ⁃ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓ