优解案例 | 身轻如燕，基于性能驱动的机械臂优化设计
一、背景简介全方位移动机器人车（见图1，Mountain工作室），选用进口麦克纳姆轮、伺服电机、控制系统，具备无线遥控功能，广泛用于各行业的科研和生产，一台机器人可配合多台机床工作，可实现上下料、长距离搬运、喷涂等多种功能。图1全方位移动机器人车优解未来是国内自主研发新一代云CAX智能设计工业软件的高科技公司，主营产品OptFuture软件基于云原生架构，可跨平台/地区实现团队协同设计，具有空间网格前处理器、高效CAE求解器、优化算法引擎和制造工艺等功能模块，支持多目标/多尺度/多材料/多工况等优化类型。拓扑优化/衍生式设计/创成式设计代表了事物设计方式的一种范式转变，并正在改变着事物的制造方式，OptFuture将助力设计师把任务需求更快更好的变成最终产品方案。二、机械臂优化设计上图1中机械臂的质量较大，会带来机械动作不灵活、伺服电机工作功率高等问题，故优解未来团队尝试利用拓扑优化技术对机械臂进行结构再设计，以探索满足性能指标条件下的最优轻质化构型。在实际工作环境中，机械臂具有多种典型工作状态（见图2），最大可搬运重量为500kg。通过多体动力学仿真，提取在每一种工作状态下机械臂关节处的载荷数据，以作为多工况分析的载荷边界条件。图2机械臂典型工况利用机械臂的原有模型包络边界，可获得初始优化区域（见图3）。机械臂材质为铸铁，体分比0.10，底部关节处给定固定约束，端部施加载荷边界条件，进行基于多工况的机械臂拓扑优化设计（见图4）。图3机械臂优化区域图4机械臂优化设计三、分析与对比在最大搬运重量500kg下，机械臂的位移见图5，原有方案的最大位移为0.2mm，优化方案的最大位移为3.35mm（相比于臂长735mm，仍属于弹性小变形范畴内）。图5位移云图机械臂的应力见图6，铸铁的屈服强度为370MPa，原有方案的最大应力为20.46MPa，剩余安全系数为18；优化方案的最大应力为200.17MPa，剩余安全系数为1.8。可见，优化方案既保留了一定的安全裕度，又较为合理的实现材料最佳分布。图6Von-Mises应力云图两种机械臂方案的数据对比见图7，在满足一定强度安全裕度下，优化方案减重约75.6%，即115.5kg。产品制造成本较为接近，仍采用铸造+焊接的工艺方案。图7数据对比四、最终产品效果经过拓扑优化设计和产品配色渲染，全方位移动机器人车的最终产品效果见图8，身轻如燕，如臂使指。图8最终产品效果来源：OptFuture优解未来
