基于碳纤维复合材料的机器人臂杆优化设计*

□ 陆汉林 □ 胡利永 □ 孙宝寿 □ 詹建明 □ 王佳锋

1.宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211 2.浙大宁波理工学院 机电与能源工程学院 浙江宁波 315100

1 设计背景

随着机器人技术的不断发展,机器人在日常生活中的应用变得更加广泛,人们对机器人性能也有了更高的要求[1]。机械臂是机器人的主要组成部分,如何在满足机器人性能要求的同时减小机器人质量,提高机器人的负载自重比,是机器人轻量化研究的重要内容[2]。在传统设计过程中,机器人结构大多采用铸铁、铝合金等材料,虽然能够满足结构的基本强度和刚度要求,但是也存在负载自重比低、能耗高等问题。碳纤维复合材料具有强度高、质量小、可设计性强等优点,越来越多地被应用于结构的轻量化设计中[2-3]。

隋显航等[4]采用变壁厚碳纤维复合材料机械臂轻量化设计方案,在满足强度及刚度的要求下,使质量显著减小。陈丰[5]通过有限元分析方法,对碳纤维复合材料机械臂铺层方式进行研究,得到最优铺层数量和铺层顺序,满足设计要求。田龙飞[6]以铸铁工业机器人上臂刚度为指标,对碳纤维复合材料上臂铺层进行优化设计,并通过仿真分析验证其动态性能。杨峰[7]对由碳纤维复合材料和铝合金构成的混合结构机械臂进行优化分析,在满足设计要求的情况下,获得了更小的质量。Honarpardaz等[8]对厚度、质量变化的复合材料管和铝制管进行模拟测试,对比刚度指标。Caprino等[9]设计了一款应用于工业测量机器人的碳纤维复合材料机械臂,以固有频率为优化目标,采用能量优化方法进行优化设计。……