基于SIMP方法的爬杆机器人结构优化与分析

作     者：郑小飞 黄镇海 马小龙 王建新 王斌锐 ZHENG Xiaofei;HUANG Zhenhai;MA Xiaolong;WANG Jianxin;WANG Binrui

作者机构：中国计量大学机电工程学院浙江杭州310018 

出 版 物：《工程设计学报》 (Chinese Journal of Engineering Design)

年 卷 期：2023年第30卷第3期

页      面：342-352页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：浙江省重点研发计划项目(2023C03186)。 

主　　题：机器人 运动步态 结构分析 拓扑优化 变密度 

摘      要：为了实现爬杆机器人的结构紧凑和轻量化设计,以及克服垂直爬杆运动困难的问题,可通过减小零件厚度的方法来进行减重,但这会造成局部应力集中,导致机器人结构刚度不足。为此,从尺蠖的形态出发,对爬杆机器人的主要结构进行SIMP(solid isotropic material with penalization,具有惩罚作用的固体各向同性材料)变密度拓扑优化设计,在保证机器人整体性能的基础上实现轻量化设计。首先,选取爬杆机器人的夹持器与T关节等主要部件为对象,通过ADAMS仿真软件对3种运动步态进行动态仿真,模拟了在极限工况下3种运动步态引起的载荷变化。然后,根据极限工况载荷等信息设置边界条件,通过ANSYS Workbench软件中的Topology Optimization模块对爬杆机器人进行SIMP变密度拓扑优化,去除机器人结构中受载荷影响微小的冗余材料,对优化后的机器人模型进行重构并与优化前对比。结果表明,在爬杆机器人整机质量减小了7.6%(由13.60 kg减小为12.57 kg)的同时,受力较大的夹持器和T关节的综合性能有所提高。能耗测试实验结果表明,优化后爬杆机器人的运行能耗比优化前降低了7.0%。所提出的SIMP变密度拓扑优化方法在仿生爬杆机器人的结构设计中具有较高的参考价值。