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設(shè)備與工具1.前言
輕量化設(shè)計是指在滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、可靠性、功能的前提下實現(xiàn)對產(chǎn)品的減重。當(dāng)前輕量化設(shè)計充滿在各行各業(yè)中，例如航天航空領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域、機器人領(lǐng)域、穿戴設(shè)備領(lǐng)域等等。輕量化設(shè)計能為產(chǎn)品性能帶來十分巨大的提升，已經(jīng)逐步成為一些產(chǎn)品的核心競爭力。
圖1輕量化結(jié)構(gòu)造型[1]
針對空中機器人，輕量化設(shè)計更具有舉足輕重的作用。大家都知道，空中機器人的載重能力是有一定限制的，當(dāng)超過一定重量，空中機器人就會失去作業(yè)能力。而輕量化設(shè)計可以減輕空中機器人本體的自重，從而可以增加機器人的作業(yè)載重能力，同時還能增加機器人的靈活程度，大大提高了空中機器人的機動性能。因此，輕量化設(shè)計是空中機器人設(shè)計過程中一項必不可少的環(huán)節(jié)。下面就為大家介紹幾種常見的輕量化設(shè)計方法。
2.常見的輕量化設(shè)計方法
機器人常見的輕量化設(shè)計方法總的分為三類：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器人結(jié)構(gòu)形式的情況下對結(jié)構(gòu)的材料進行更換。該方法是最簡單最有效的輕量化方法。最開始進行機器人設(shè)計時為了考慮結(jié)構(gòu)強度都會采用金屬材料，例如合金鋼、不銹鋼、鋁合金、鈦合金等，這些金屬材料強度高性能好，但是密度同樣也很高，在帶來高性能的同時也增加了機器人的重量，降低了機器人的靈活度。隨著新材料的不斷發(fā)展研究，現(xiàn)在很多機器人部件開始采用碳纖維、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、增加了機器人的靈活度。
在進行材料更換時，并不是說只要換成密度更輕的材料就行了，需要綜合考慮空中機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)計的常用手段，設(shè)計自由度高，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?，對?gòu)件的長度尺寸、厚度尺寸等進行優(yōu)化，該優(yōu)化方式相對簡單。
2）形狀優(yōu)化
形狀優(yōu)化就是對結(jié)構(gòu)的內(nèi)外邊界形狀進行優(yōu)化。例如孔洞形狀、倒角過渡等等。
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)化會結(jié)合相關(guān)軟件進行。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。
圖2 拓?fù)鋬?yōu)化效果圖[2]
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，用來確定設(shè)計離散化的對象之間的連接關(guān)系；第二類是連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，用來確定設(shè)計均勻連續(xù)體的空間布局構(gòu)型等。我們所說的輕量化方法主要針對連續(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、漸進結(jié)構(gòu)法、水平集法等。其中變密度法具備通用性強、求解方便等特點被廣大商業(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，需要進行人為二次優(yōu)化才能進行加工生產(chǎn)。但是當(dāng)前的3D打印技術(shù)在很大程度上解決了這個問題。隨著3D打印技術(shù)的越來越成熟，相信拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)未來的應(yīng)用也會越來越廣。
2.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法
對于不同的優(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，數(shù)學(xué)理論嚴(yán)謹(jǐn)，具有收斂可靠、收斂速度緩慢和計算量大的特點。
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。
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，近年來在機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題中應(yīng)用越來越多。這些算法具有較強的魯棒性，可以有效處理不連續(xù)問題，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)不止一個且離散不可微時，這種算法比較有優(yōu)勢。
2.3系統(tǒng)輕量化
系統(tǒng)輕量化是指機器人在優(yōu)化過程中將驅(qū)動系統(tǒng)和機器人結(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)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)結(jié)合起來進行建模，并根據(jù)目標(biāo)進行優(yōu)化計算，得出最優(yōu)的系統(tǒng)性能。例如島根大學(xué)的Izumi等將電機質(zhì)量、平衡塊質(zhì)量、傳動比、連桿間的偏距作為設(shè)計變量來優(yōu)化機械臂，并根據(jù)最優(yōu)傳動比確定了減速器的級數(shù)，減小了機械臂的能量損耗。
運用系統(tǒng)輕量化的方法得出來的優(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)計現(xiàn)在已經(jīng)有很多方法，但是針對不同功能的空中機器人、不同的結(jié)構(gòu)部件、不同的設(shè)計環(huán)節(jié)需要用到的輕量化設(shè)計方法不同。設(shè)計工程師應(yīng)該學(xué)會合理地運用輕量化設(shè)計方法，設(shè)計出性能完美的空中機器人。
參考資料
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[2]https://mp.weixin.qq.com/s/o13M6ehLcIwg6mal-ghuaQ
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歡迎來到西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實驗室！我們的實驗室專注于小型無人機（UAV）的基本理論和新應(yīng)用。技術(shù)研究領(lǐng)域包括（i）單無人機的制導(dǎo)，導(dǎo)航和控制，（ii）多無人機的集群系統(tǒng)，以及（iii）基于視覺和其他類型的傳感器的智能傳感系統(tǒng)。目前，我們有十多個小組成員，包括博士后，博士生，研究助理和訪問學(xué)生。他們都畢業(yè)于中國和海外的頂尖大學(xué)。我們擁有一流的實驗設(shè)備，如Vicon，動作捕捉系統(tǒng)和各種實驗無人機平臺。
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