移动服务机器人机械手臂的结构设计与优化研究

  本篇论文是一篇机械硕士论文，机器人建模及运动学分析是研究机器人其它特性的基础与前提。本章首先对机械臂所要完成动作的类型进行分析，再结合机械臂结构的特殊性，对机械臂参数模型进行简化并进行正运动学分析。求解其雅克比矩阵，为后文基于雅克比矩阵性能指标的提出奠定坚实的基础；求取机械臂的工作空间，为评价机械臂尺寸优化的效果提供标准。

  1.1  课题背景与研究的目的和意义

  本课题在开展研究的过程中得到了机器人技术与系统国家重点实验室（哈尔滨工业大学）自主研究课题基金项目“高端智能服务机器人技术研究平台”(项目编号 SKLRS201301B)和国家自然科学基金项目“助老机器人三维人体姿态识别与肢体动作理解研究”(项目编号 61273339)的联合资助。近 20 多年，随着科技的进步和机器人技术的发展，机器人的应用领域在不断地向人们的日常生活延伸，其工作环境不再仅仅局限于冷冰冰的工厂、车间等固定场所，已经进入博物馆、科技馆、医院、家庭和娱乐场所，机器人与人类的关系也越来越密切，产生了服务机器人这一概念。在国外，机器人技术较发达的日本早在上个世纪八十年代就开始了类人服务机器人的研究，希望通过类人服务机器人来代替保姆、护士等为人类提供服务。韩国正推行服务机器人产业化，试图让服务机器人走进普通家庭。我国国务院在 2005 年 12 月份发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中将智能服务机器人技术作为未来 15 年的前沿技术，以服务机器人的应用为重点，希望在设计方法、智能控制等方面取得新的突破。随着我国人口老龄化的加剧，为了给老年人提供更好的照顾，对家政服务人员的需求急剧增加，甚至每年春节期间都会出现用工荒的现象，这种现象推动了助老助残机器人技术的发展，随着助老机器人在家庭、医院等场合的应用和普及，可以有效地缓解人口老龄化带来的家政服务人员供需矛盾。可以说无论是国家对发展高科技的需要，还是市场对助老助残服务机器人的迫切需求，都在不断的推动服务机器人技术及相关产业的发展，促使人们进行更深入的研究。无论是靠移动机构行走的移动服务机器人，还是靠双腿行走的仿人型服务机器人都拥有着像人体手臂一样灵活的双臂，其作业任务主要是依靠其臂协作来完成的，因此机械臂的性能对整个服务机器人最终的动态性能有着重要的影响。如果机械臂机械本体的先天品质很差，要想获得满意的动态性能，则需在控制系统设计过程中付出极高的代价和成本，甚至即使付出高昂的成本也无法实现预期的目标。而国内现在大部分服务机器人机械臂的结构并不是针对服务机器人的特点和应用场合而进行专门的设计，仅仅是凭借经验将工业机器人机械臂的结构移植到服务机器人上。由于服务机器人和工业机器人的应用场合并不完全相同，因此安装有工业机械臂的服务机器人往往存在着机械臂体积过于臃肿、质量过沉、运动不灵活、响应速度慢等缺点，不能满足服务机器人机械臂轻型化、宜人化、灵巧化的要求。

  1.2 本文主要研究内容与组织结构

  本文的主要目的是为移动服务机器人设计一款机械臂，并通过拓扑优化和基于性能指标的尺寸优化对其结构进行优化，使其具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点。本文的研究内容和组织结构如图 1-9 所示。第一章，  阐述选题背景和研究意义，介绍国内外服务机器人及其机械臂的研究现状，论述目前机器人结构优化形式和常用的结构优化算法，阐述人体工程学理论在服务机器人机械臂结构设计中的重要性，提出本文的主要研究内容。第二章，   根据设计指标结合人体工程学理论确定设计准则，对机械臂的各种构型进行分析，以全局相对可操作度为指标求得机械臂的最优构型，根据人体测量学理论，确定机械臂的尺寸和关节转角范围，使其具有与人体手臂相似的灵活性。确定驱动方式、计算并利用仿真求得驱动力、确定走线方式、完成大小臂等连接杆件的结构设计，并从拓扑轻量化和材料轻量化两个途径，实现大臂及整个机械臂的轻量化，完成机械臂虚拟样机的构建。第三章，   根据服务机器人机械臂所完成的动作要求，对机械臂的模型进行简化，利用标准 D-H 参数法建立简化后机械臂的 D-H 坐标系并进行正运动学分析。求得机械臂的雅克比矩阵，为基于雅克比矩阵的性能指标的确定奠定基础；利用蒙特卡洛法求取机械臂的工作空间，为表征机械臂的工作范围提供基础。第四章，根据移动服务机器人的特点和应用场合，对机械臂的性能进行分析，确定最大工作空间距离指标、静刚度性能指标、全域速度波动性能指标等性能评价指标，以全域速度波动性能指标和最大工作空间距离性能指标为优化目标，以杆件长度为优化变量，以质量、静刚度、最大臂长等作为约束条件，建立优化函数模型。明确尺寸优化模型多目标、多约束的特点，为优化算法的选取提供条件。第五章，   根据优化函数模型多目标多约束的特点，选择粒子群优化算法作为模型的求解方法，针对粒子群算法在多目标寻优中存在的问题进行改进，使其具有更好的寻优效果，提出改进的多目标粒子群优化算法，利用标准测试函数验证改进算法的效率。采用改进的多目标粒子群算法求解优化函数模型，对大小臂的杆长参数进行优化。对优化结果进行分析，从理论上证明尺寸优化对减小机械臂运动过程中速度波动的有效性。通过机械臂模拟人手臂拿取水杯饮水的仿真实验，验证优化结果在实际应用中的正确性和有效性。从而证明通过拓扑优化和尺寸优化的有机结合，可使设计的机械臂具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点。最后对全文进行的工作总结，提出进一步需要完善工作。

 

  2.1  引言

  机械臂在移动服务机器人中扮演着重要的角色，安装了机械臂的服务机器人不但在形式上具有人的特点，在功能上也可以模仿人体手臂完成挥手、握手等基本动作，具有双臂的机器人还可以通过双臂协调操作来完成端茶、倒水等更复杂的动作。本课题的目标是为移动服务机器人设计一款高刚度、轻质量、运动平稳且灵活的机械臂。设计过程中针对移动服务机器人的应用场合和特点，基于人体工程学理论综合考虑机械臂构型及转角范围、各关节的驱动形式、各关节驱动力矩的大小、走线方式、外观等因素，对机械臂的结构进行设计,并从拓扑轻量化和材料轻量化两个方面对机械臂的结构进行轻量化优化。本章首先根据设计指标和设计要求结合人体工程学理论确定设计准则，对机械臂的各种构型进行分析，并以全局相对可操作度为指标求得机械臂的最优构型。在此基础上运用静力学计算的方法估算各个关节的最大力矩，并利用 Adams 软件对机械臂的力矩进行仿真，以保证所选的驱动系统有足够的驱动力矩。为了使所设计的机械臂的结构尽量紧凑，选择 Powercube 集成驱动模块作为驱动系统，为了使整个机械臂外观整洁并且不受导线对关节转动范围的干扰，将大臂、小臂、手腕等连接件的结构设计成内部中空的形式，以实现整个机械臂的内部走线。同时通过材料轻量化和拓扑优化两种方式来实现机械臂的轻量化，并对拓扑优化前后的结构进行有限元分析，保证了拓扑优化后结构的安全性，最后建立了移动服务机器人机械臂的虚拟样机模型。

  2.2  设计指标与设计准则

  本课题的目标是为移动服务机器人设计一款机械臂，使其具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点，其各项设计指标如表 2-1 所示，它是后续完成机械臂结构设计的主要依据。为了使所设计的机械臂能够体现出移动服务机器人机械臂的特点，具有较轻的质量、较好的宜人性和运动的灵巧性，而不仅仅是凭借相关经验将工业机械臂移植到服务机器人上。并使所设计的机械臂具有较好的机械性能，避免出现由于机械性能较差而造成控制系统设计困难，影响移动服务机器人最终动态性能的现象。特根据移动服务机器人的应用场合和特点结合相关设计理论，从功能、结构、人体工程学、美观性等几个方面提出移动服务机器人机械臂结构设计的几个准则：(1) 在功能上，根据设计指标和功能要求合理地选择机械臂的自由度数目，并对其进行合理配置，选择出最优构型，使其能够模拟人体手臂完成基本动作，末端执行器能够灵活地到达工作范围内各个任务目标点。(2) 在结构上，机械臂的结构设计要合理，避免出现干涉、机构不能运动等问题；各个组件的连接要简单轻巧紧凑，装卸容易。结构越简单，稳定性越好；结构越紧凑，空间利用率越高，机构越轻巧，运动越灵活，控制越方便。(3) 在人体工程学上，所设计的机械臂要有较好的工作稳定性和安全性，不能对人的安全构成危害，同时要有较好的宜人性，增加用户对产品的好感度，获得视觉和心理上的亲切感。

  3.3  机械臂 D-H 坐标系的建立

  3.4  机械臂正运动学分析

  3.5  机械臂的雅克比矩阵

  3.6  机械臂的工作空间

  3.7  本章小结

  4.1  引言

  4.2  服务机器人机械臂性能指标分析

  4.3  机械臂优化函数模型的建立

  4.4  本章小结

  5.1  引言

  5.2 Pareto 最优理论

  5.3  粒子群优化算法的改进及验证

  5.4  基于 IMPSO 的优化模型求解

  5.5  尺寸优化结果分析

  5.6  尺寸优化的仿真验证

  5.7  本章小结

  本文的主要目标是为移动服务机器人设计一款机械臂，使其具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点。为实现该目标在对移动服务机器人的应用场合和特点进行详细的分析之后，在设计准则、最优构型、拓扑优化、有限元分析、基于性能指标的尺寸优化以及优化算法的改进等方面开展了大量的研究，主要的研究成果如下：(1)   提出了符合人体工程学要求的移动服务机器人机械臂结构设计准则，求得了机械臂的最优构型，使其具有与人相似的灵活性，从拓扑轻量化和材料轻量化两个途径实现了机械臂的轻巧化优化，使其具有高刚度、轻质量、运动灵活的特点。(2)   提出了评价移动服务机器人机械臂性能的各种指标，通过优化目标耦合性分析确定了优化目标间的耦合关系，通过优化变量灵敏度分析确定优化目标对各变量的敏感程度，根据实际条件确定了约束条件，建立了机械臂尺寸优化的数学函数模型。(3)   对多目标粒子群算法进行改进，提高了其求解精度。采用改进算法对尺寸优化模型进行求解，通过优化前后速度波动指标值的对比以及仿真实验，验证了尺寸优化抑制速度波动的可行性与有效性。(4)   通过拓扑优化和基于性能指标尺寸优化的有机结合，使设计的机械臂具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点。虽然通过结构轻量化和基于性能指标的尺寸优化，使所设计的机械臂具有高刚度、轻质量、运动灵活且平稳的特点。但由于各种因素的存在，使设计仍不够完善，存在需要进一步改进之处，具体问题有：(1)   基于性能指标的尺寸优化函数模型是基于完成特定动作而简化的单臂而建立的，在优化过程中并未考虑两臂之间的位姿约束关系。(2)   由于实际条件的限制，毕业前不能完成移动服务机器人整机的装配，无法通过实物样机验证机械臂尺寸优化的有效性，仅能通过虚拟样机仿真的方式验证尺寸优化对降低速度波动的有效性，优化结果可供新一代服务机器人机械臂的设计参考。