一种面向高速高精度工业机器人运动感知的力学超结构传感器数据驱动设计方法

本发明属于高速高精度工业机器人智能感知、力学超结构传感及计算力学设计，涉及一种面向高速高精度工业机器人运动感知的力学超结构传感器数据驱动设计方法。

背景技术：

1、随着高速高精度工业机器人向高速运行、高重复定位精度和智能化方向发展，机器人关节、运动执行机构及其他关键运动部件在高速运动过程中会产生复杂机械变形和动态载荷变化。为实现机器人运动状态的实时感知，需要传感器不仅能够检测机械变形，还需要具备与机器人构件力学行为相匹配的机械响应特性。

2、由于不同工业机器人运动部件的结构形式、运动范围、材料组成以及受力状态等方面存在差异，运动感知传感器基底需要根据具体应用需求调节其等效弹性模量、泊松比、应力-应变响应及机械稳定性等性能参数，从而实现传感器与机器人运动构件之间的力学适配。

3、传统均质弹性基底的机械性能主要由材料自身性质决定，可设计范围有限。力学超结构能够通过改变结构单元的几何参数调节宏观机械响应，为机器人运动感知传感器的机械性能设计提供更大的设计空间。然而，力学超结构通常具有多个几何设计参数，不同结构参数组合会导致复杂的非线性应力-应变响应以及力学性能变化，使得传统基于经验试错的设计方法难以快速获得满足目标性能要求的结构方案。

4、有限元分析能够获得不同力学超结构在机械载荷作用下的应力、应变及变形响应，是分析结构参数与宏观机械性能关系的重要工具。然而，对于包含多个设计变量的力学超结构，需要针对大量参数组合建立有限元模型并进行重复计算，由此产生大量分散的机械响应及性能数据。现有设计过程中通常依赖单个结构模型分析或有限数量参数比较，缺少针对多参数力学超结构的结构参数、机械响应与性能指标之间的数据关联方法，难以实现基于目标机械性能的快速设计。

5、因此，有必要建立一种面向高速高精度工业机器人运动感知的力学超结构传感器数据驱动设计方法，通过构建参数化有限元模型进行批量机械响应计算，建立结构参数与机械性能之间的映射关系，实现基于机器人运动感知需求的力学超结构快速筛选与设计。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种面向机器人运动感知的力学超结构传感器数据驱动设计方法，以解决高速高精度工业机器人运动感知过程中，传感器机械性能需求复杂、多参数力学超结构设计效率低以及有限元计算数据难以统一利用的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种面向高速高精度工业机器人运动感知的力学超结构传感器数据驱动设计方法，所述力学超结构传感器包括复合功能基底，所述复合功能基底由弹性体基体以及嵌入于所述弹性体基体中的力学超结构骨架构成；包括以下步骤：

3、s1、获取力学超结构传感器的几何设计参数（参数化几何设计变量）及各几何设计参数对应的预设取值范围，并基于几何拓扑约束和用于评价结构变形稳定性的力学约束，建立满足预设结构完整性和力学响应要求的有效设计参数空间；根据所述有效设计参数空间内的不同几何设计参数组合生成多个候选力学超结构，并建立对应的参数化有限元模型。

4、s2、根据候选力学超结构中不同组成材料及其机械特性设置相应的材料本构关系，对各参数化有限元模型设置预设机械载荷及边界条件，并进行批量有限元计算，获得各候选力学超结构在预设变形范围内的应力-应变响应以及轴向和横向机械响应数据。其中，所述轴向方向为根据力学超结构周期胞元拓扑排列确定的单轴加载方向，所述横向方向为垂直于所述轴向方向的结构变形方向。

5、s3、根据预设机械性能评价指标对所述机械响应数据进行处理，提取用于表征候选力学超结构等效弹性模量、泊松比以及结构稳定性的机械特征参数。

6、s4、将各候选力学超结构的几何设计参数与对应的应力-应变响应及机械特征参数进行关联，形成与各候选力学超结构一一对应的结构-性能数据单元，并由多个所述结构-性能数据单元构建结构-性能数据集。

7、s5、获取机器人运动构件的运动范围以及机器人运动构件与力学超结构传感器之间的预设力学适配条件，根据所述运动范围和预设力学适配条件确定至少一个力学超结构传感器应满足的机械性能匹配条件。

8、s6、利用所述机械性能匹配条件对所述结构-性能数据集中的结构-性能数据单元进行筛选，获得满足所述机器人运动构件运动感知要求的候选力学超结构设计参数。

9、进一步地，所述力学超结构骨架采用周期性参数化构型，由多个结构基本单元周期排列形成；所述结构基本单元包括基于梁变形、旋转变形或几何展开变形实现力学响应调控的结构单元；所述几何设计参数包括用于描述所述结构基本单元形态、尺寸及排列关系的至少一种参数。更进一步地，所述超结构基本胞元包括多个波浪形梁单元，所述波浪形梁单元为两段相同的圆弧形梁段反向连接形成的波浪形结构，多个所述波浪形梁单元按照三角形拓扑连接形成所述超结构基本胞元；所述波浪形梁单元的参数化几何设计参数包括圆弧角度θ、归一化宽度w=w/r和归一化厚度t=t/t中的至少一种，其中，w为力学超结构骨架中梁单元的宽度，r为圆弧形梁段的特征半径，t为力学超结构骨架厚度，t为复合功能基底厚度。对于由圆弧形梁单元构成的周期胞元结构，评判所述结构稳定性的指标为机械稳定性参数，用于表征候选力学超结构在轴向拉伸过程中拉胀变形的稳定程度。当候选力学超结构在预设拉伸变形范围内未产生拉胀变形时，所述机械稳定性参数s

stab取值为0；当候选力学超结构产生拉胀变形时，根据拉胀横向变形达到峰值时对应的轴向应变ε

peak与理论临界应变ε

cr的比值确定所述机械稳定性参数：

10、

11、所述理论临界应变ε

cr根据弯曲梁的几何展开关系确定：

12、

13、进一步地，在参数化有限元模型中，根据不同组成材料及机械特性分别设置材料本构关系。其中，所述弹性体基体和力学超结构骨架分别根据其材料力学行为设置相应材料本构模型；所述材料本构模型包括线弹性本构模型、超弹性本构模型或弹塑性本构模型。其中，对于具有材料非线性的材料，通过非线性应力-应变关系进行描述，结构几何非线性通过有限元计算中的大变形分析进行描述。模型参数通过对应材料标准拉伸试样的单轴拉伸实验获得的应力-应变响应进行确定；所述超弹性本构模型可采用yeoh模型、mooney-rivlin模型或ogden模型中的至少一种；所述力学超结构骨架的材料参数包括弹性参数、屈服参数以及塑性变形参数中的至少一种，其中，在线弹性本构模型下，所述材料参数包括弹性模量和泊松比；在弹塑性本构模型下，所述材料参数包括弹性参数、屈服参数以及塑性变形参数；在超弹性本构模型下，所述材料参数包括对应超弹性模型的材料常数。所述弹塑性本构模型的材料参数根据力学超结构骨架材料的弹性阶段响应、屈服特性以及塑性阶段应力-应变响应确定。具体地，当材料在预设变形范围内表现为可恢复弹性变形时，可采用线弹性或超弹性本构模型；当材料存在屈服及不可恢复塑性变形行为时，可采用弹塑性本构模型。

14、进一步地，在对多个参数化有限元模型进行批量有限元计算之前，对有限元模型的有效尺寸进行确定。建立具有不同周期胞元数量的多个有限元模型，在相同机械载荷及边界条件下获得对应的机械响应曲线，通过比较不同周期胞元数量对应的模型机械响应曲线之间的差异判断周期胞元数量增加后模型边缘效应对机械响应的影响程度；当增加周期胞元数量后，相邻模型机械响应曲线之间满足预设一致性要求时，将满足所述一致性要求的最小周期胞元数量确定为后续批量有限元计算采用的模型尺寸。

15、进一步地，在进行批量有限元计算之前，对有限元模型进行网格收敛性评价。采用不同网格尺寸对同一候选力学超结构进行有限元计算，比较不同网格尺寸对应的机械响应结果，当进一步减小网格尺寸后，应力-应变响应曲线或机械性能参数变化满足预设一致性要求时，确定用于后续批量有限元计算的网格设置，具体为选择满足计算精度要求且计算效率较高的网格参数用于多个候选力学超结构的批量有限元计算。

16、进一步地，所述方法还包括对参数化有限元模型进行实验验证。选取至少一个具有预设几何设计参数的候选力学超结构制备对应样品，通过机械测试获得实验应力-应变响应，并将所述实验应力-应变响应与对应参数化有限元模型获得的应力-应变响应进行比较，以评价所述参数化有限元模型对实际力学超结构机械响应的表征能力，并验证所构建结构-性能数据集的可靠性。

17、进一步地，每一结构-性能数据单元至少包括用于表征候选力学超结构几何构型的结构参数向量、与所述候选力学超结构对应的应力-应变响应数据以及由有限元机械响应数据提取得到的机械特征向量。所述机械特征向量包括等效弹性模量、泊松比以及结构稳定性参数中的至少一种。所述结构参数向量、应力-应变响应数据和机械特征向量按照候选力学超结构建立一一对应关系，从而形成多参数力学超结构的结构-性能数据集。

18、进一步地，所述机器人运动构件包括机器人关节、机器人手指、柔性关节、软体执行器或连续体机器人构件中的至少一种。所述预设力学适配条件包括机器人运动构件对应的最大变形范围、传感器允许应变范围、目标等效弹性模量范围、目标泊松比范围、目标机械稳定性参数范围以及目标应力-应变响应条件中的至少一种。根据所述预设力学适配条件建立对应的机械性能匹配条件，并从所述结构-性能数据集中获得满足相应条件的候选力学超结构设计参数。

19、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

20、（1）本发明通过对不同几何参数组合对应的力学超结构进行参数化建模和批量有限元计算，将分散的有限元计算结果转化为具有统一对应关系的结构-性能数据单元，从而能够系统表征力学超结构几何参数与机械响应之间的关系。

21、（2）本发明不仅保留候选力学超结构的应力-应变响应，还从机械响应数据中提取等效弹性模量、泊松比和机械稳定性参数等机械特征，使不同候选结构的有限元结果能够采用统一的机械性能指标进行表征和比较。

22、（3）本发明针对不同组成材料设置相应的材料本构关系，并通过有限元模型有效尺寸确定、网格收敛性评价以及有限元计算结果与机械实验结果的比较验证，提高结构-性能数据对实际力学超结构机械响应的表征可靠性。

23、（4）本发明将机器人运动构件的运动范围及力学适配条件转化为机械性能匹配条件，并利用已建立的结构-性能数据集筛选候选力学超结构设计参数，使已有有限元计算数据能够直接用于不同机器人运动构件的传感器结构选择，提高高速高精度工业机器人运动感知力学超结构传感器的设计效率。