GB/T 35116-2017 机器人设计平台系统集成体系结构

　　ICS 35 . 240 . 50 J 07

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 351 16—2017

　　机器人设计平台系统集成体系结构

　　Integratedsystem architectureforrobotdesignplatform

　　2017-12-29 发布 2018-07-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

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　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

　　本标准由中国机械工业联合会提出。

　　本标准由全国 自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC 159)归口 。

　　本标准起草单位：北京机械工业自动化研究所、清华大学、杭州娃哈哈精密机械有限公司、山东山大华天软件有限公司、北京航空航天大学、天津大学、苏州大学、大连理工大学、中国水利水电科学研究院。

　　本标准主要起草人：尹作重、罗振军、黄双喜、杨 超 英、陶 永、黎 晓 东、王 培 刚、杨 秋 影、陈 国 栋、郑国君、田永利、陈友东、李江华、杜峻、孙洁香、王海丹。

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　　引 言

　　机器人设计开发平台是以高速、高精、重载等高性能工业机器人发展需求为牵引，以三维 CAD 建模以及运动学、CAE仿真分析算法等为核心工具，攻克工业机器人建模和仿真、动力学仿真设计、高性能几何造型内核、知识驱动的设计导航等系列核心技术的基于 CAD/CAE 技术融合的工业机器人设计开发平台，机器人设计开发平台的目的是改善我国工业机器人正向设计能力缺乏的现状，进一步降低工业机器人设计门槛，弥补传统的工业机器人设计方法的不足。

　　为了能更全面、深入和系统地理解机器人数字化设计平台的集成数据交换方式，结合机器人数字化设计平台的体系结构和设计流程中的具体特点，分析机器人数字化设计平台数据和模型，形成国家标准，以规范机器人数字化设计平台的建设，加快机器人相应软件集成度的提高，从而促进机器人产业化的发展。

　　本标准对于机器人设计开发平台系统集成体系结构具有重要参考和指导意义。

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　　机器人设计平台系统集成体系结构

　　1 范围

　　本标准规定了机器人设计平台系统设计流程、集成数据、参考体系结构、软件体系结构设计。

　　本标准适用于机器人设计开发平台的研发过程。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　2.1

　　集成体系结构 integratedsystem architecture

　　支持复杂信息环境下的集成化的软件平台的各部分基本配置和连接的描述(模型)。

　　2.2

　　参考体系 referencearchitecture

　　一套方法和框架，通过结构化的方法论、规范化的操作和支持工具来指导企业集成系统的设计和实现。

　　[GB/T 25483—2010,定义 2 . 3]

　　2.3

　　计算机辅助设计 computeraideddesign

　　利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案。

　　2.4

　　计算机辅助分析 computeraidedengineering

　　用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

　　2.5

　　多体系统动力学 dynamicsofmulti-bodysystem

　　研究多体系统(一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成)运动规律的科学。

　　2.6

　　数字化设计平台 digitaldesignplatform

　　综合运用多种软件开发技术，覆盖机器人设计过程中的概念设计、结构设计、部件选型、综合性能预估、设计校核等重要环节，初步实现了设计流程和设计数据的集成化管理的数字化设计工具。

　　3 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　CAD：计算机辅助设计(Computer Aided Design)

　　CAE：计算机辅助分析(Computer Aided Engineering)

　　CAM：计算机辅助制造 (Computer Aided Manufacturing)

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　　FEM：有限元分析方法 (Finite Element Method)

　　GUI：图形用户界面 (Graphical User Interface)

　　MBS：多体系统动力学 (Dynamics of Multi-body System)

　　4 机器人设计平台系统集成内容

　　4 . 1 机器人设计平台系统设计流程

　　机器人设计平台的设计流程如图 1 所示，主要包括用户需求、概念设计、结构设计、模型验证、CAE仿真设计、机电耦合设计、优化设计等关键环节：

　　a) 用户需求：分析用户的需求，设定机器人的基本性能参数，如工作空间大小，运动规律要求，负载能力，动态性能，精度要求，灵活性等，将这些性能参数作为已知条件，完成后续设计。

　　b) 概念设计：在概念设计阶段，主要对该机构进行理论建模、轨迹规划及运动规律设定，针对用户需求，进行初步尺度参数规划，最后实现该机构的逆运动学和逆动力学求解，得到该机器人的驱动参数，初步进行电机选型和减速器选型。

　　图 1 机器人设计平台的设计流程

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　　c) 结构设计：根据概念设计所得的结果，首先进行常用件的选型，然后进行标准件的选型，结合选型元件的尺寸参数，在 CAD 系统交互进行零部件的设计，设计完成后进行自动化装配，进行静态干涉检查分析，判断装配体是否存在干涉问题。

　　d) 模型验证：结合结构设计环节所设计出的装配体模型，进行运动仿真分析，将得到的末端轨迹和初始设定的理论轨迹进行对比，以验证运动学建模的正确性，然后判断运动仿真得到的末端轨迹是否与理论轨迹相符合。

　　e) CAE仿真设计：将简化的 CAD模型导入到 CAE仿真分析软件中，建立有限元模型，分别进行全域静刚度、全域模态、瞬态动力学仿真分析，预估机器人的静动态特性，为后续优化设计提供支撑。

　　f) 机电耦合设计：首先向 CAE 系统中加载控制系统，然后结合整机瞬态动力学仿真进行机电耦合仿真分析，并判断整机性能是否满足要求。

　　g) 优化设计：首先进行优化目标及指标的设定，然后根据设定的 目标进行试验设计，接着进行关键零部件的结构优化设计、控制参数的优化设计、响应面的优化设计和灵敏度分析，得到优化后的整机模型参数。

　　4 . 2 机器人设计平台集成数据

　　如表 1 所示，机器人设计平台集成的数据主要包括几何模型数据、CAE 模型数据、参数化数据、 MBS模型数据、设计需求模型数据、工作流数据、数据流数据、仿真结果数据、工具库、知识库等。

　　表 1 机器人设计平台集成数据

　　5 机器人设计平台参考体系结构

　　5 . 1 机器人设计平台参考体系结构

　　5 . 1 . 1 概述

　　机器人设计平台的设计流程主要包括用户需求、概念设计、结构设计、模型验证、CAE仿真设计、机

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　　电耦合设计、优化设计等关键环节。 机器人数字化设计开发平台涉及 CAD 系统、CAE 系统、动力学仿真分析系统等系统集成体系，如图 2 所示，机器人设计平台参考体系主要分为设计仿真导航(设计流程)、设计仿真集成和数字化设计支撑数据/模型库三个层次。

　　图 2 机器人设计平台参考体系结构

　　5 . 1 . 2 机器人数字化设计平台的支持数据库/模型库层

　　主要基于数据库技术和模型表达理论，将可重用的数学模型和设计知识归类并建立数据库，该层主要包括设计导航模板库、拓扑结构数据库、零部件数据库、运动规律模型库、控制器结构参数库和可视化分析模板库。

　　5 . 1 . 3 机器人数字化设计/仿真集成层

　　机器人数字化设计/仿真集成层是整个机器人数字化设计平台的核心层，主要的功能模块包括：

　　a) 基于机器人机构学基础理论的概念设计模块。 该模块主要是利用机构学基础理论，实现拓扑选型、基于性能指标的尺度综合、正/逆运动学/简化刚体动力学建模求解、轨迹规划及运动规律设定等功能。

　　b) 机器人结构设计和刚体动力学仿真设计模块。 该模块主要利用 CAD 软件功能和基本动力学理论，实现零部件实体造型、标准件及驱动器等选型、部件与整机装配、运动学仿真与干涉检

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　　查、刚体动力学仿真等功能。

　　c) 机器人 CAE仿真设计模块。 该模块主要是利用商业化 CAE建模仿真功能，建立机器人本体有限元模型，进行整机和关键部件的静/动态特性分析等功能。

　　d) 机器人多领域耦合仿真设计模块。 该模块主要利用具有多领域分析能力的 CAE 软件或并行仿真技术，完成控制系统建模、多体系统-控制系统耦合仿真等功能。

　　e) 集成优化设计模块。 该模块是整个平台的核心部件，主要基于多 目标优化理论和多准则决策理论，使用多目标优化方法、实验设计法、响应面法等进行尺度参数优化、结构参数优化，并提供多学科分析优化流程管理等功能。

　　5 . 1 . 4 机器人数字化设计/仿真导航层

　　设计/仿真导航层主要包括设计/仿真流程知识库和工程案例库，工程案例库具有大量的各种机器人实际的设计和仿真过程。 该模块在机器人设计平台中为设计/仿真流程提供指导，根据已有的流程知识库的内容，可以减少在新的设计和仿真过程中的重复作业。

　　5 . 2 机器人设计平台的体系结构设计方案

　　如图 3 所示，机器人设计平台的体系系统由下至上主要包括基础层、核心层、框架层、通用功能层和应用层五部分：

　　a) 基础层：主要对机器人设计平台起到支撑作用，管理相应的存储管理、图形显示、与操作系统的交互和系统日志等;

　　b) 核心层：主要包括各种模型、工程图、加工、分析等函数库，以及与各类函数库相关的显示、数据库管理和开发等，它是上层功能实现的基础，也是机器人设计平台的核心部分;

　　c) 框架层：通过 GUI、命令管理、参数化管理、插件管理、调度管理和监控等模块对机器人设计平台进行开发、管理和优化;

　　d) 通用功能层：提供了通用建模、工程图、装配建模、设计导航、数据交换等通用功能，涵盖企业进行设计和制造的基础功能模块;

　　e) 应用层：建立典型产品或零部件的设计系统，可提供专业功能以及典型产品和零部件的设计向导。

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　　图 3 机器人设计平台的体系结构设计方案