1.前言

輕量化設(shè)計(jì)是指在滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性、功能的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的減重。當(dāng)前輕量化設(shè)計(jì)充滿在各行各業(yè)中，例如航天航空領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域、穿戴設(shè)備領(lǐng)域等等。輕量化設(shè)計(jì)能為產(chǎn)品性能帶來(lái)十分巨大的提升，已經(jīng)逐步成為一些產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

針對(duì)空中機(jī)器人，輕量化設(shè)計(jì)更具有舉足輕重的作用。大家都知道，空中機(jī)器人的載重能力是有一定限制的，當(dāng)超過(guò)一定重量，空中機(jī)器人就會(huì)失去作業(yè)能力。而輕量化設(shè)計(jì)可以減輕空中機(jī)器人本體的自重，從而可以增加機(jī)器人的作業(yè)載重能力，同時(shí)還能增加機(jī)器人的靈活程度，大大提高了空中機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性能。因此，輕量化設(shè)計(jì)是空中機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中一項(xiàng)必不可少的環(huán)節(jié)。下面就為大家介紹幾種常見(jiàn)的輕量化設(shè)計(jì)方法。

2.常見(jiàn)的輕量化設(shè)計(jì)方法

機(jī)器人常見(jiàn)的輕量化設(shè)計(jì)方法總的分為三類：材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、系統(tǒng)輕量化。

2.1材料輕量化

材料輕量化是指在不改變機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行更換。該方法是最簡(jiǎn)單最有效的輕量化方法。最開(kāi)始進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)為了考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都會(huì)采用金屬材料，例如合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等，這些金屬材料強(qiáng)度高性能好，但是密度同樣也很高，在帶來(lái)高性能的同時(shí)也增加了機(jī)器人的重量，降低了機(jī)器人的靈活度。隨著新材料的不斷發(fā)展研究，現(xiàn)在很多機(jī)器人部件開(kāi)始采用碳纖維、聚四氟乙烯、鎂合金等材料。在滿足結(jié)構(gòu)性能的前提下大大減輕了產(chǎn)品的重量。減少了系統(tǒng)能耗、增加了機(jī)器人的靈活度。

在進(jìn)行材料更換時(shí)，并不是說(shuō)只要換成密度更輕的材料就行了，需要綜合考慮空中機(jī)器人的零件受力狀態(tài)、材料加工性能、制造成本等因素，例如碳纖維板適合做機(jī)架材料，但由于其加工性能限制不適合做一些異型零件；一些受力的異型零件可以采用鋁合金或者鎂合金等；一些不受力的異型零件可以采用樹脂、尼龍等。

2.2結(jié)構(gòu)輕量化

在材料無(wú)法再更換的的情況下，可以采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的辦法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的常用手段，設(shè)計(jì)自由度高，效果顯著。

2.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式

結(jié)構(gòu)優(yōu)化按照優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的屬性可以分為三種不同的形式：尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。

1）尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是指在不改變結(jié)構(gòu)的材料和拓?fù)湫螤畹那疤嵯?，?duì)構(gòu)件的長(zhǎng)度尺寸、厚度尺寸等進(jìn)行優(yōu)化，該優(yōu)化方式相對(duì)簡(jiǎn)單。

2）形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化就是對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外邊界形狀進(jìn)行優(yōu)化。例如孔洞形狀、倒角過(guò)渡等等。

3）拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)約束條件，確定結(jié)構(gòu)的布局形式，得到使目標(biāo)性能最佳的材料分布情況。其設(shè)計(jì)自由度高，且減重效果比尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化效果更顯著，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要發(fā)展方向。一般拓?fù)鋬?yōu)化會(huì)結(jié)合相關(guān)軟件進(jìn)行。例如業(yè)內(nèi)著名的CAE分析軟件Ansys、Abaqus、Hyperwork和Tosca等均具有拓?fù)鋬?yōu)化的模塊。

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化主要分為兩類：第一類是離散結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，用來(lái)確定設(shè)計(jì)離散化的對(duì)象之間的連接關(guān)系；第二類是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，用來(lái)確定設(shè)計(jì)均勻連續(xù)體的空間布局構(gòu)型等。我們所說(shuō)的輕量化方法主要針對(duì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化主要有均勻化方法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)法、水平集法等。其中變密度法具備通用性強(qiáng)、求解方便等特點(diǎn)被廣大商業(yè)軟件所采用。

拓?fù)鋬?yōu)化出的模型具有很高的設(shè)計(jì)自由度，以現(xiàn)有的工藝加工水平可能很難直接加工出，需要進(jìn)行人為二次優(yōu)化才能進(jìn)行加工生產(chǎn)。但是當(dāng)前的3D打印技術(shù)在很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。隨著3D打印技術(shù)的越來(lái)越成熟，相信拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣。

2.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法

對(duì)于不同的優(yōu)化目的，需要有不同的優(yōu)化模型和優(yōu)化方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法主要有以下三種方法：數(shù)學(xué)規(guī)劃法、準(zhǔn)則法、智能優(yōu)化算法。

數(shù)學(xué)規(guī)劃法是指采用數(shù)學(xué)理論方法和分析方法確定迭代的最快速下降方法和最優(yōu)極值點(diǎn)，數(shù)學(xué)理論嚴(yán)謹(jǐn)，具有收斂可靠、收斂速度緩慢和計(jì)算量大的特點(diǎn)。

準(zhǔn)則法是指在各種邊界條件和載荷等約束條件下，在確定的材料性能中得出滿足工況的最優(yōu)方案，一般用于形狀優(yōu)化，常用的方法有同步失效準(zhǔn)則法和滿應(yīng)力準(zhǔn)則法。該方法具有收斂速度較快、迭代算法構(gòu)造比較困難的特點(diǎn)。

智能優(yōu)化算法包括遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法、蟻群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等，近年來(lái)在機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題中應(yīng)用越來(lái)越多。這些算法具有較強(qiáng)的魯棒性，可以有效處理不連續(xù)問(wèn)題，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)不止一個(gè)且離散不可微時(shí)，這種算法比較有優(yōu)勢(shì)。

2.3系統(tǒng)輕量化

系統(tǒng)輕量化是指機(jī)器人在優(yōu)化過(guò)程中將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式綜合考慮的一種優(yōu)化方式，從全局的角度出發(fā)，將驅(qū)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行建模，并根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出最優(yōu)的系統(tǒng)性能。例如島根大學(xué)的Izumi等將電機(jī)質(zhì)量、平衡塊質(zhì)量、傳動(dòng)比、連桿間的偏距作為設(shè)計(jì)變量來(lái)優(yōu)化機(jī)械臂，并根據(jù)最優(yōu)傳動(dòng)比確定了減速器的級(jí)數(shù)，減小了機(jī)械臂的能量損耗。

運(yùn)用系統(tǒng)輕量化的方法得出來(lái)的優(yōu)化結(jié)果一般優(yōu)于單純的從結(jié)構(gòu)或材料出發(fā)得出的優(yōu)化結(jié)果，它會(huì)使整體結(jié)構(gòu)更緊湊，性能更優(yōu)越，但是優(yōu)化難度也相應(yīng)增加。

3.總結(jié)

綜上所述，輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)有很多方法，但是針對(duì)不同功能的空中機(jī)器人、不同的結(jié)構(gòu)部件、不同的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要用到的輕量化設(shè)計(jì)方法不同。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該學(xué)會(huì)合理地運(yùn)用輕量化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出性能完美的空中機(jī)器人。

參考資料

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由西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室工程師霍培棟原創(chuàng)

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