一种机械臂设计方法、系统和装置与流程半岛体育机械

　　半岛体育机械1、机械臂，或称为机械手臂(robotic arm)是具有模仿人类手臂功能并可完成各种作业的自动控制设备。这种机器人系统有多关节连结，并且允许在平面或三度空间进行移动。构造上，机械臂一般由机械主体、控制器、伺服机构和传感器等部分所组成，并由程序控制，以便根据作业需求完成一定的指定动作。机械臂技术诞生以来，从1980年代开始成功应用于汽车制造业等产业，在机器人技术领域是应用范围最广泛的自动化机械装置。组装、喷漆、焊接、高温铸锻等繁重工作，皆能以机械臂取代人工作业。

　　2、伴随技术进步、成本降低、人力紧张等因素，机械臂的应用场景也在不断扩展，如医疗、农业等。近年来，也出现了不少面向个人用户的消费级机械臂，这对于机械臂的设计也提出了更多元化的要求。

　　3、机械臂设计可大致划分成：概念设计/方案设计、初步设计/基础设计、详细设计等步骤。

　　4、由于机械臂本身往往需要执行复杂的动作，工况繁多，需要综合考虑的因素多种多样。而大量设计参数又相互耦合、彼此影响，导致机械臂设计工作较为复杂。特别是在概念设计和初步设计阶段，设计师需要评估多种方案、权衡其中的关键参数。

　　5、因此，传统的设计流程对设计师水平要求极高，导致设计过程繁琐，有时甚至要反复试错。特别是在参数优化环节中，高度依赖设计者的经验直觉半岛体育机械，导致设计周期长、设计成果不稳定、设计门槛高，也不利于产品的快速迭代。

　　6、此外，传统设计方法中，可以提供给详细设计的设计输入有限。如：对于某个用于传动的丝杆，仅能提供最大荷载、平均运行时间等笼统信息，而无法提供不同荷载的频率分布等更精细化的信息，使得选型工作较为粗放。

　　7、随着计算机辅助设计的进步和普及，计算机仿真软件可以部分地弥补上述缺点，但主要针对参数已经确定的机械臂，减少的主要是建模、分析、制图、打样和实验的工作量。对于多个耦合参数的全局自动优化问题，仍然高度依赖设计者的经验，需要进行大量的手工调节。由此，并没有从根本上改变设计周期长、设计成果不稳定、设计门槛高的问题。

　　1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种机械臂设计方法，包括以下步骤：

　　2、s1、机械臂定义，设置机械臂上关节的数量、类型半岛体育机械，设置各关节间连杆长度、固定端连杆长度和自由端连杆长度参数，构建机械臂整体参数，以快速构建一个机械臂。这些内容的确定一般由机械臂概念设计时完成，并可结合初步设计的结果进行调整。定义完成后，可解算该机械臂关节在给定工况下的关节动力学特征和运动学特征。

　　5、s3.1、结合预设的对外力量输出规则，生成相应的力场。力场是一种描述机械臂末端在某个空间位置所需对外输出力的矢量(大小和方向)的方法。基于某个工况的运动轨迹，结合给定的对外力量输出规则，就可生成此种工况下的力场。由此可知此种工况下，机械臂末端在空间任意位置需要对外输出的力量大小和方向。指定s1中所设置关节和连杆中需要优化的参数，生成可选范围内的所有排列组合方式；设置工况点空间分辨率，根据力场中参数的重要程度设置不同的权重，结合力场中参数的权重构建评价公式。

　　6、s3.2、将每一种组合方式代入到每一个工况点，通过评价公式得到该种组合方式在该工况点的评价指标，并剔除不合格的组合方式；将剩下的每一种组合方式的参数进行归一化，用每一种组合方式的评价指标在所有工况点的绝对值的最大值为分母，将该评价指标每一个工况点的值为分子与其进行比较，计算每一种组合方式的分数；根据分数的绝对值抽取绝对值最高的若干组组合方式，绝对值高者抽中概率高；将抽取的组合方式，在同一参数上随机交换其参数；对交换参数后的组合方式，将其某一参数加上一个随机数，形成新的组合方式，并剔除不合格的组合方式。

　　9、进一步的，s2中，运动轨迹具有多条；s3.1中分别生成对应运动轨迹的一个力场，分别设置每一力场的工况点空间分辨率。可以同时对机械臂所需执行的多种运动轨迹进行处理。

　　10、进一步的，运动轨迹通过图像或视频输入。可将事先录制好的、记录机械臂端点需要执行的运动轨迹的视频导入，并自动生成其轨迹，这样就免去了手工标记运动轨迹所需要消耗的时间。

　　11、进一步的，运动轨迹为二维轨迹或三维轨迹，相应的力场为二维力场或三维力场。

　　12、进一步的，评价公式中包含多个评价维度，包括尺寸、强度和/或扭矩；根据各维度权重确定评价指标。

　　13、进一步的，s4输出的组合中还包括s3.1中未选中优化的机械臂参数。

　　14、进一步的，s1中还可设置关节内部的具体结构和参数，建立关节内部几何参数与机械臂整体工况的数学关系模型，s3.1中需要优化的参数还可包括关节内参数。使用者定义关节内部的具体结构和参数，包括类型、数量等。使得机械臂的整体运动情况与各个关节内部的几何参数之间的关系得以确立。由此，可以模拟给定关节内部零件的动力学特征和运动学特征。

　　15、还提供一种机械臂设计系统，使用上述的方法，包括机械臂仿真模块、轨迹输入模块、力场生成模块、优化模块和输出模块，机械臂仿真模块用于设置各关节和连杆参数，轨迹输入模块用于输入机械臂自由端端点需要执行的运动轨迹，力场生成模块用于生成运动轨迹对应的力场，优化模块用于优化处理数据，输出模块用于对外输出组合方式。

　　17、还提供一种计算装置，包括处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行上述的方法。

　　18、本发明提供的设计方法，简化了设计过程，缩短了设计周期，设计成果稳定、有利于产品的快速迭代。本发明主要针对初步设计阶段，通过使用遗传算法，自动进行关键参数优化，其输出结果可直接用于详细设计，指导标准件选型和非标零件设计优化。大大简化了机械臂设计、优化的难度。依此方法封装后的软件系统，可协助备相关基础知识的工程师快速完成机械臂初步设计。

　　2.根据权利要求1所述的机械臂设计方法，其特征在于：s2中，运动轨迹具有多条；s3.1中分别生成对应运动轨迹的一个力场，分别设置每一力场的工况点空间分辨率。

　　3.根据权利要求1所述的机械臂设计方法，其特征在于：运动轨迹通过图像或视频输入。

　　4.根据权利要求1所述的机械臂设计方法，其特征在于：运动轨迹为二维轨迹或三维轨迹，相应的力场为二维力场或三维力场。

　　5.根据权利要求1所述的机械臂设计方法半岛体育机械，其特征在于：评价公式中包含多个评价维度，包括尺寸、强度和/或扭矩；根据各维度权重确定评价指标。

　　6.根据权利要求1所述的机械臂设计方法，其特征在于：s4输出的组合中还包括s3.1中未选中优化的机械臂参数。

　　7.根据权利要求1所述的机械臂设计方法，其特征在于：s1中还可设置关节内部的具体结构和参数，建立关节内部几何参数与机械臂整体工况的数学关系模型，s3.1中需要优化的参数还可包括关节内参数。

　　8.一种机械臂设计系统，其特征在于：使用如权利要求1-6任一所述的方法，包括机械臂仿真模块、轨迹输入模块、力场生成模块、优化模块和输出模块，机械臂仿真模块用于设置各关节和连杆参数，轨迹输入模块用于输入机械臂自由端端点需要执行的运动轨迹，力场生成模块用于生成运动轨迹对应的力场，优化模块用于优化处理数据，输出模块用于对外输出组合方式。

　　9.根据权利要求8所述的机械臂设计系统，其特征在于：还包括关节仿真模块，用于输入关节内部的具体结构和参数。

　　10.一种计算装置，其特征在于：包括处理器、存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序被处理器运行时，执行如权利要求1-7任一所述的方法。

　　本发明提供一种机械臂设计方法包括：设置机械臂上关节的数量、类型，设置各关节间连杆长度，构建机械臂整体参数。输入机械臂自由端端点需要执行的运动轨迹。生成相应的力场。指定所设置关节和连杆中需要优化的参数；设置工况点空间分辨率，构建评价公式。将组合方式代入到工况点，通过评价公式得到该种组合方式在该工况点的评价指标；将剩下的每一种组合方式的参数进行归一化，计算每一种组合方式的分数；根据分数的绝对值抽取绝对值最高的若干组组合方式，在同一参数上随机交换其参数；将其某一参数加上一个随机数，形成新的组合方式。重复直至结果收敛，分析输出。本发明简化了设计过程，缩短了设计周期，设计成果稳定、有利于产品的快速迭代。

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