42、低成本轻型机器人设计与分布式智能自动化建模

低成本轻型机器人设计与分布式智能自动化建模

1 低成本轻型机器人设计与制造

1.1 研究背景

随着各领域对低成本、轻型机器人的需求不断增加，3D 打印技术的进步推动了创新机器人设计的出现。然而，开发功能性机器人仍是一个复杂的过程，需要多学科知识。本文介绍了一种新型低成本串联轻型机器人，它具有 6 个自由度（DOF）和 1 个自由度的抓手，采用拓扑优化的创新结构设计，并使用传统 3D 打印机制造。

1.2 相关工作

近年来，由于低成本硬件和易于使用的增材制造工艺，出现了许多新型机器人设计。例如，德国航空航天中心开发的受人类手臂启发的创新轻型机械臂，目标是实现 1:1 的负载重量比；还有 6 自由度的合规机械臂 COMPI，具有紧凑和管状结构设计。此外，增材制造工艺在几乎所有机器人原型开发中都有应用，如医疗保健、家庭服务协助、残疾人辅助和教育等领域的低成本 3D 打印机器人。同时，机器人与人类共享工作空间时，安全标准也必须在设计中考虑。拓扑优化可以在不降低结构强度的情况下，生成更复杂、更轻的结构设计，并且通过增材制造可以轻松实现，节省时间、材料和成本。

1.3 设计、制造与控制

1.3.1 结构设计

确定机器人的最大工作范围在 400 - 500 毫米之间，有效载荷约为 0.4 千克。基于这些参数，设计了具有 6 个自由度和 1 个自由度抓手的轻型机器人结构。使用标准有限元分析（FEA）工具进行迭代设计，以确保机器人的结构性能符合工作参数要求。由于聚对苯二甲酸乙二醇酯 - 二醇（PET - G）具有可用性、机械性能和低成本等优点，决定使用它来制造机器人结构。从机器人的粗略初始 CAD 模型