基于Kriging模型的并联机器人机构的多目标优化设计

为了提高并联机器人机构的性能特性,对机构参数进行优化设计分析,以达到性能指标最优的目的。先对应用于盾构拼装机的并联机构进行了运动学分析,利用封闭矢量法建立了逆解方程,并在此基础上求解了表征驱动关节输入和动平台输出映射关系的雅可比矩阵。引入衡量并联机构性能的全域运动灵巧度和全域承载能力指标,并以结构参数为设计变量,性能指标为优化目标,基于Krigring近似模型,利用多岛遗传算法对并联机构进行多目标优化,最终得到Pareto解集,并选取了机构参数的最优解。结果表明,基于Kriging模型的多目标优化对机构性能有明显的改善。     

DFSS算法在并联机构可靠性设计优化中的应用

以茶叶筛分机所依托的空间并联机构4-UPS-S为研究对象,对机构进行运动学分析,建立机构的雅可比矩阵,并提出了衡量机构工作性能的指标。鉴于加工误差对机构参数的不确定性造成机器人性能的影响,建立了包含不确定性因素的优化设计模型,基于多学科多目标软件IOSO NM采用DFSS优化算法对模型进行求解,使工作性能指标达到整体最优。研究结果表明,考虑不确定性的多学科多目标优化应用在并联机构中是可行的,能为并联机构的优化设计奠定理论基础。     

3-PRRS并联机构多目标可靠性优化设计

以提高并联机构多目标优化设计结果的可靠性为目的。首先构建3-PRRS并联机构多目标优化设计模型,基于Isight集成Matlab软件,利用试验设计和多目标优化算法进行多目标确定性优化设计。然后分析3-PRRS并联机构在设计制造中所涉及到的随机不确定性因素,基于Isight进行6Sigma可靠性分析以及考虑随机不确定性因素的6Sigma优化,建立一种高效的考虑不确定性的3-PRRS并联机构多目标可靠性优化方法。研究结果表明,考虑不确定因素的多目标优化设计方法得到的最佳设计解可靠度更高,更加符合设计要求。     

基于Isight平台NSGA-Ⅱ方法的3-PRS并联机构多目标优化

把Isight软件运用到3-PRS并联机构的多目标参数优化中,分析并建立3-PRS并联机构的工作空间、灵巧度、刚度和承载能力的指标。采用蒙特卡洛方法对多目标指标函数进行编程求解,以Isight软件为平台,集成Matlab软件,构建多目标优化基本流程,用Isight软件中封装的NSGA-Ⅱ方法对3-PRS并联机构的五个目标函数进行优化。得到分布性良好的Pareto解集及Pareto前沿,目标指标得以分析,并得出参数与目标之间变化规律。可根据优化信息,在Pareto解集中选取适合实际工况的最优解,最后给出优化算例。     

基于主成分分析方法的并联机构参数优化

以DELTA并联机构为研究对象,求解该机构的全域条件数、全域各向同性系数、全域最小奇异值指标数据,建立多维全域性能指标数据。基于主成分分析(PCA)法,对上述多维全域性能指标数据进行降维、有效融合,去除指标间的冗余信息,减小目标函数对权重系数的人为依赖性,从而确定目标函数。通过对不同结构参数样本进行PCA分析,选出基于综合全域性能最优的结构尺寸。将PCA优化结果与各性能指标值分布图进行比较分析,最优和最差样本均与各性能指标分布图的最优和最差性能区域相对应,从而验证PCA方法在并联机构参数优化时的有效性。研究结果为多目标下并联机构的优化提供了一种新思路。     

PRPAS/2-PUPR型并联机械腿性能指标分析及结构参数优化

为研究并联机械腿运动性能指标和结构参数之间的关系,以PRP_AS/2-PUPR并联机构为研究对象。根据步行机器人的工作任务确定机械腿的自由度,通过求解位置正逆解证明机械腿具有部分解耦性能,并通过蒙特卡洛法搜索出机械腿的工作空间。基于1阶影响系数矩阵和2阶影响系数矩阵得出机械腿的速度全域性能指标和加速度全域性能指标,并将结构参数数值化,得出较优的结构参数范围。最后,通过细化后的结构参数的性能指标,得出最优的机械腿结构参数。结果表明,性能指标可以对机械腿的结构参数进行精确优化。     

一种并联机械手的尺度优化综合

以一种可实现整周回转两平动自由度并联机器人为研究对象,提出以空间操作性能最优为目标的综合性能指标。在对该并联机构进行位置逆解分析及速度分析的基础上,推导其速度雅可比矩阵,利用其全域相关代数特征,构造出一种综合考虑条件数全域均值与方差、灵巧工作空间及可操作性的性能指标,依据几何及性能要求给出约束条件,获得机构尺度参数最优化设计结果。最后结合一组算例,验证该性能指标对并联机构优化设计的有效性。     

2-RPU/SPR并联机构的多目标6Sigma稳健性优化

将Isight软件的NSGA-Ⅱ方法应用于2-RPU/SPR并联机构的6Sigma稳健性优化。方法建立2-RPU/SPR并联机构的工作空间、运动学灵巧度、刚度、最大和最小承载能力五个性能指标,设置约束条件,运用Matlab软件编程,并用Isight软件进行集成,进行确定性优化,得到优化解,在有噪声干扰的前提下,运用Isight对优化解进行6Sigma稳健性分析,进而运用NSGA-Ⅱ方法对这五个目标函数进行6Sigma稳健性优化。结果优化结果前后优劣对比,获得6Sigma稳健性优化后的良好结果。结论根据优化结果,并结合实际工况可选择最优设计参数,提高机构抗噪声干扰的能力,为高精密领域的包装机械提供一种高效直观的优化设计方法。     

并联机构敏感性分析和多目标优化设计方法

为了解决并联机构全局性能指标高计算成本引起的敏感性分析和多目标优化设计困难,提出了一种结合多项式响应面模型、基于方差的敏感性分析方法和智能优化算法的高效计算方法。首先,确定并联机构的目标函数和设计参数,增加节点密度以提高目标函数的计算精度,基于拉丁超立方体抽样方法和最小二乘多项式拟合技术建立全局目标函数与设计参数之间的响应面解析映射模型,并结合基于方差的Sobol’敏感性分析方法得到对目标函数有重要影响的设计参数。然后,结合敏感性分析结果简化设计参数并建立并联机构的多目标优化设计模型,包括目标函数、约束函数和设计参数,结合响应面模型与智能优化算法开展并联机构多目标优化设计。最后,考虑规则工作空间体积、运动学性能和动力学性能指标为目标函数,以DELTA并联机构为例实现了本文提出的方法。优化前后的结果对比证明了算法的有效性。     

基于多目标优化算法的并联机构综合设计

针对并联机构尺寸综合设计参数多、关系复杂的问题,以少自由度并联机构为研究对象进行尺度综合。首先,基于雅可比矩阵的性能指标条件数、刚度、速度极值作为目标函数。其次,采用罚函数法处理约束条件,提出性能分类的方式来作为多目标优化的准则,最后利用遗传算法进行参数优化。分别构建了以条件数、刚度性能指标最优为目标的双目标优化模型和以条件数、刚度性能和速度极值指标最优为目标的三目标优化模型,对这2个方案基于提出的尺寸综合方法进行优化,得到符合设计要求和约束条件的尺寸参数。     

冗余并联机构奇异性与静力学分析

研究了一种6自由度可移动冗余并联机构的奇异性与静力学性能及其定姿态实时优化设计。建立该并联机构的静力学雅可比矩阵,分析了该并联机构的奇异性、静力学性能指标。调节并联机构定平台腿部位置,使并联机构的静力学传递性能得到提高。绘制了基于雅可比矩阵的性能图谱,直观地观察并联机构在不同位置的静力学力和力矩的传递性能。通过分析可知冗余并联机构具有可以消除奇异的优点,同时通过调节腿部位置也大大提高了并联机构的静力学传递性能。     

基于影响系数的6-PUS并联机构逆向运动学分析

以一种6-PUS并联机构为研究对象,据其结构特点得到了运动学逆解及影响系数矩阵,建立了正确的运动学方程。利用MATLAB软件对机构运动学性能指标进行了理论计算与仿真分析,获得了相应的运动学性能指标图谱。通过算例证明了该性能图谱能为机构的设计和优化以及控制策略的选择提供理论依据。     

4-RR(RR)R并联机构的动力学性能指标分析

利用位置反解分析4-RR(RR)R并联机构的空间位形,并采用虚设机构法和影响系数矩阵法建立Jacobian和Hessian矩阵,将Hessian矩阵引入全域性能指标中,不同于以往仅采用Jacobian矩阵作为评价机构性能的指标,使得对机构的动力学性能评价更加全面.对全新的4-RR(RR)R4自由度并联机构进行速度、加速度和惯性力性能指标分析,给出三项指标的性能图谱.改变机构尺寸,搜索4-RR(RR)R并联机构在不同机构尺寸下的工作空间,在可达工作空间内讨论机构尺寸变化对机构性能的影响,重点讨论Jacobian矩阵和Hessian矩阵对机构加速度性能的影响程度.对比加速度偏差的具体数值,发现Hessian矩阵对机构的加速度性能有着更重要的影响.最后利用Matlab软件对机构进行模型仿真.     

考虑综合性能的平面3-RRR并联机构优化设计

为得到具有良好综合性能的平面3-RRR并联机构,提出一种简单、快捷的优化设计方法。首先,将平面3-RRR并联机构的尺寸进行无量纲化,建立设计空间平面图。其次,在设计空间中分别作出机构的全局条件数、全局速度以及全局刚度三个性能指标的性能图谱,分别对三个指标的性能图谱进行分析。最后,根据三个性能指标的性能图谱确定多目标优化的权系数以及约束方程,从而建立优化模型,运用基因算法完成优化。结果显示,该方法能够达到优化目标。     

面向对象的多杆机构多目标多约束优化设计方法

针对工程实际中多杆机构多目标多约束优化设计问题,提出了一种基于Isight与ADAMS集成的面向对象多杆机构的结构优化设计方法。采用面向对象的结构建模方法 ,借助多体动力学仿真软件ADAMS,建立多杆机构仿真参数化模型,实现Isight内置搜索算法解决多杆机构多目标多约束条件下的结构优化问题。以一种六连杆机构的优化设计为例,实验结果表明,能够通过一次建模可以满足不同约束及优化目标下的结构设计参数优化组合。     

2-UPR-SPR并联机构尺度综合

五自由度Exechon机器人被广泛应用于高端制造业,其由具有两转一移三自由度的2-UPR-SPR并联机构和RR串联机构组成(U代表虎克铰,P代表移动副,R代表转动副,S代表球副)。目前对Exechon中并联机构的尺度综合鲜见报道。运用基于螺旋理论的运动/力传递性能指标对Exechon中并联机构2-UPR-SPR进行尺度综合。建立机构运动学反解模型,并对机构进行螺旋分析,得到2-UPR-SPR并联机构的局部传递性能指标和全域性能指标,作为机构运动/力传递性能评价准则。结合空间模型法,获得2-UPR-SPR并联机构的相关指标性能图谱,且根据工程实际需要确定最优区域,在该区域内选取多组数值实例并进行最优筛选。     

基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化设计及其应用

提出一种基于运动学、刚度和动力学性能的并联机构有序递进三级优化策略,即分别应用遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、差分进化算法（DE）三种智能算法,以工作空间性能和运动/力传递性能为目标的尺度参数优化方法,又在优化尺度参数基础上,以机构承载刚度和整体刚度为目标进行构件截面参数优化,再在优化尺度参数和截面参数基础上,以动力学灵巧度和能量传递效率为目标进行构件质量参数优化,从而使得机构的尺度、截面及质量参数达到最优。以一种零耦合度三平移一转动（SCARA）并联操作手为例,运用矢量法建立了并联操作手的运动学模型,通过工作空间性能和运动/力传递性能两个运动学指标,优化其尺度参数;运用虚拟弹簧法得到该并联操作手的刚度模型,通过对三维模型的参数识别得到其柔度矩阵,并分析了承载刚度、整体刚度两个刚度性能指标,优化了构件的截面参数;利用动力学普遍方程导出了该并联操作手的动力学模型,通过动力学灵巧度和能量传递效率两个动力学性能指标,优化了构件的质量参数。最终,该并联操作手的运动学、刚度和动力学综合性能达到最优,也得到了一些尺度、截面及质量参数的设计准则。     

6-HURU并联机器人机构运动学和动力学性能指标分析

通过改变6-HURU并联机器人机构尺寸得到了包含121个机构的机构组，综合利用每个机构在其工作空间内不同位形采样点的一阶、二阶影响系数矩阵，研究了该并联机器人机构不同尺寸下运动学和动力学性能指标，突破了以往只考虑一阶影响系数矩阵研究所产生的局限性，根据所得的全域性能图谱探讨了不同尺寸机构之间的性能差异，进行了验证。     

3-PRPS并联机器人机构参数优化研究

基于机构的雅可比矩阵条件数,考虑其波动的基础上对并联机构的全域性能指标进行分析,建立了以全局条件数的平均值与波动值的综合值为目标函数的优化模型;并以3-PRPS并联机器人机构为研究对象,根据该机构的结构特点在已知位置反解基础上利用旋量法建立雅可比矩阵;同时在给定约束条件的基础上运用matlab进行数值计算,得到机构全局雅可比矩阵条件数的平均值和优化目标函数值的曲线图,从而优化出最佳参数值,最后对所得结果进行了分析验证。     

一种支链含Pa副的新型2T1R并联机器人的运动学分析与多目标性能优化研究

以并联机构2T1R作为研究对象,基于并联机构拓扑结构设计理论综合出一类支链含Pa平行四边形机构的2T1R并联机构,并优选出两种新型2PRPaR-PPaR与2RRPaR-PPaR并联机构,以2PRPaR-PPaR并联机构为例,利用方位特征集拓扑结构理论计算机构的方位特征集、自由度、耦合度等拓扑特性,根据建立的特征方程并得到机构的运动学逆解解析式。基于此,分别对机构的工作空间、灵巧度、转动能力等性能指标可视化分析,并通过图形化对比分析机构参数对这些性能指标的影响,最后建立工作空间和全局灵巧度多目标优化模型,选择快速非支配多目标优化算法（NSGA-Ⅱ）实现机构尺度综合,结果表明：2PRPaR-PPaR机构具有工作空间较大、灵巧度较好、转动能力高等优良特性,优化出一组不同姿态角下的对工作空间和全局灵巧度的多目标pareto优化解。