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设备与工具1.前言
轻量化设计是指在满足产品结构强度、可靠性、功能的前提下实现对产品的减重。当前轻量化设计充满在各行各业中，例如航天航空领域，汽车领域、机器人领域、穿戴设备领域等等。轻量化设计能为产品性能带来十分巨大的提升，已经逐步成为一些产品的核心竞争力。
图1轻量化结构造型[1]
针对空中机器人，轻量化设计更具有举足轻重的作用。大家都知道，空中机器人的载重能力是有一定限制的，当超过一定重量，空中机器人就会失去作业能力。而轻量化设计可以减轻空中机器人本体的自重，从而可以增加机器人的作业载重能力，同时还能增加机器人的灵活程度，大大提高了空中机器人的机动性能。因此，轻量化设计是空中机器人设计过程中一项必不可少的环节。下面就为大家介绍几种常见的轻量化设计方法。
2.常见的轻量化设计方法
机器人常见的轻量化设计方法总的分为三类：材料轻量化、结构轻量化、系统轻量化。
2.1材料轻量化
材料轻量化是指在不改变机器人结构形式的情况下对结构的材料进行更换。该方法是最简单最有效的轻量化方法。最开始进行机器人设计时为了考虑结构强度都会采用金属材料，例如合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金等，这些金属材料强度高性能好，但是密度同样也很高，在带来高性能的同时也增加了机器人的重量，降低了机器人的灵活度。随着新材料的不断发展研究，现在很多机器人部件开始采用碳纤维、聚四氟乙烯、镁合金等材料。在满足结构性能的前提下大大减轻了产品的重量。减少了系统能耗、增加了机器人的灵活度。
在进行材料更换时，并不是说只要换成密度更轻的材料就行了，需要综合考虑空中机器人的零件受力状态、材料加工性能、制造成本等因素，例如碳纤维板适合做机架材料，但由于其加工性能限制不适合做一些异型零件；一些受力的异型零件可以采用铝合金或者镁合金等；一些不受力的异型零件可以采用树脂、尼龙等。
2.2结构轻量化
在材料无法再更换的的情况下，可以采用结构优化的办法。结构优化是产品轻量化设计的常用手段，设计自由度高，效果显著。
2.2.1 结构优化形式
结构优化按照优化设计变量的属性可以分为三种不同的形式：尺寸优化、形状优化和拓扑优化。
1）尺寸优化
尺寸优化是指在不改变结构的材料和拓扑形状的前提下，对构件的长度尺寸、厚度尺寸等进行优化，该优化方式相对简单。
2）形状优化
形状优化就是对结构的内外边界形状进行优化。例如孔洞形状、倒角过渡等等。
3）拓扑优化
拓扑优化是根据约束条件，确定结构的布局形式，得到使目标性能最佳的材料分布情况。其设计自由度高，且减重效果比尺寸优化和形状优化效果更显著，是结构优化的主要发展方向。一般拓扑优化会结合相关软件进行。例如业内著名的CAE分析软件Ansys、Abaqus、Hyperwork和Tosca等均具有拓扑优化的模块。
图2 拓扑优化效果图[2]
结构拓扑优化主要分为两类：第一类是离散结构的拓扑优化，用来确定设计离散化的对象之间的连接关系；第二类是连续体结构的拓扑优化，用来确定设计均匀连续体的空间布局构型等。我们所说的轻量化方法主要针对连续体结构的拓扑优化。连续体结构的拓扑优化主要有均匀化方法、变密度法、渐进结构法、水平集法等。其中变密度法具备通用性强、求解方便等特点被广大商业软件所采用。
拓扑优化出的模型具有很高的设计自由度，以现有的工艺加工水平可能很难直接加工出，需要进行人为二次优化才能进行加工生产。但是当前的3D打印技术在很大程度上解决了这个问题。随着3D打印技术的越来越成熟，相信拓扑优化技术未来的应用也会越来越广。
2.2.2 结构优化算法
对于不同的优化目的，需要有不同的优化模型和优化方法。结构优化算法主要有以下三种方法：数学规划法、准则法、智能优化算法。
数学规划法是指采用数学理论方法和分析方法确定迭代的最快速下降方法和最优极值点，数学理论严谨，具有收敛可靠、收敛速度缓慢和计算量大的特点。
准则法是指在各种边界条件和载荷等约束条件下，在确定的材料性能中得出满足工况的最优方案，一般用于形状优化，常用的方法有同步失效准则法和满应力准则法。该方法具有收敛速度较快、迭代算法构造比较困难的特点。
智能优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、蚁群算法、人工神经网络算法等，近年来在机器人结构优化问题中应用越来越多。这些算法具有较强的鲁棒性，可以有效处理不连续问题，当优化目标不止一个且离散不可微时，这种算法比较有优势。
2.3系统轻量化
系统轻量化是指机器人在优化过程中将驱动系统和机器人结构形式综合考虑的一种优化方式，从全局的角度出发，将驱动参数和结构相关参数结合起来进行建模，并根据目标进行优化计算，得出最优的系统性能。例如岛根大学的Izumi等将电机质量、平衡块质量、传动比、连杆间的偏距作为设计变量来优化机械臂，并根据最优传动比确定了减速器的级数，减小了机械臂的能量损耗。
运用系统轻量化的方法得出来的优化结果一般优于单纯的从结构或材料出发得出的优化结果，它会使整体结构更紧凑，性能更优越，但是优化难度也相应增加。
3.总结
综上所述，轻量化设计现在已经有很多方法，但是针对不同功能的空中机器人、不同的结构部件、不同的设计环节需要用到的轻量化设计方法不同。设计工程师应该学会合理地运用轻量化设计方法，设计出性能完美的空中机器人。
参考资料
[1]https://cn.bing.com/images/searchview=detailV2&ccid=c36mJmBe&id=7FCEB42F9E4463D2176C7B5413F43D8F28D964DF&thid=OIP.c36mJmBezvAwoNZZn6WGigAAAA&mediaurl=https%3a%2f%2fts1.cn.mm.bing.net%2fth%2fid%2fRC.737ea626605ecef030a0d6599fa5868a%3frik%3d32TZKI899BNUew%26riu%3dhttp%253a%252f%252fres.simmtime.com%252fsimm_oa_new%252fimages%252f201909%252f20190918095026512_C06BF3DF4DD405A99E39C7734CA56127.jpg%26ehk%3dMFACtfgNQmZporrin2v0SiIsBnp9iqnebJMUcI7UxM8%253d%26risl%3d%26pid%3dImgRaw%26r%3d0&exph=285&expw=250&q=%e8%bd%bb%e9%87%8f%e5%8c%96&simid=608043558574052490&FORM=IRPRST&ck=5D46EBF399E1EC221970C6D7D2718F6D&selectedIndex=680&ajaxhist=0&ajaxserp=0
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