CN108009380A - 一种设计柔性并联机构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种设计柔性并联机构的方法,所述方法包括:确定柔性并联机构的柔性臂配置;基于梁的方法定义所述柔性并联机构中每个柔性臂的详细结构,为所述柔性臂进行基于C‑T梁的建模;针对所述柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,获取所述柔性并联机构的设计方案。相较于现有技术,本发明的方法过程简单、易于实现,最终的设计结果具有很好的动态响应去耦运动以及高离轴刚度性能。
Description
技术领域
本发明涉及工业设计开发领域,具体涉及一种设计柔性并联机构的方法。
背景技术
由于具有弹性变形的特点,柔性机构具有很多优良性能,比如说没有齿隙,没有干摩擦,没有磨损和撕裂等。其能够进行可重复运动而成为创造定位系统的普遍选择。符合标准的柔性机构可以进行从纳米至厘米范围的精确运动,普遍应用于各种场合,如微型夹具、执行器、机械手和校正装置等。
由于闭环结构具有诸多优点,比如对外部机械扰动的不敏感性和高非致动刚度,高精度机械手多采用柔性并行机制。但是,由于柔性并行机制的柔性机构运动受力相对复杂,在设计柔性并联机构(CPM)的过程中不但需要进行大量的模拟设计计算、试验生产以及实物调试,这不但提高了柔性并联机构的设计成本,而且最终的设计结果也不能很好的达到理想性能要求。
发明内容
本发明提供了一种设计柔性并联机构的方法,所述方法包括:
确定柔性并联机构的柔性臂配置;
基于梁的方法定义所述柔性并联机构中每个柔性臂的详细结构,为所述柔性臂进行基于C-T梁的建模;
针对所述柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,获取所述柔性并联机构的设计方案。
在一实施例中,基于梁的方法定义所述柔性并联机构中每个柔性臂的详细结构,为所述柔性臂进行基于C-T梁的建模,包括:
每个所述柔性臂建模为立方体,其一端是固定的,另一端连接到端部执行器;
由在平面上映射C-T梁的方式构成所述柔性臂的模型;
利用贝赛尔曲线以及两端方向的线性变化扫描一个薄的矩形横截面积产生扭转角来创建C-T梁。
在一实施例中,利用贝赛尔曲线以及两端方向的线性变化扫描一个薄的矩形横截面积产生扭转角来创建C-T梁,其中,在合成过程中,C-T梁的几何形状发生变化,以满足端部执行器所需的自由度。
在一实施例中,针对所述柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,其中,把多个梁元素网格化,采用有限元法解决合成过程中的优化问题。
在一实施例中,针对所述柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,包括:
定义所述柔性并联机构的几何设计变量;
进行刚度优化以确定C-T梁的优化几何形状以及所述柔性并联机构的离轴刚度;
进行动态优化以确定末端执行器以及C-T梁的尺寸。
在一实施例中,定义所述柔性并联机构的几何设计变量,其中,根据需要实现快速动态响应的要求定义所述柔性并联机构的几何设计变量。
在一实施例中,进行刚度优化以确定C-T梁的优化几何形状以及所述柔性并联机构的离轴刚度,其中,根据外部负载的工作情况来制定刚度优化过程的适应度函数。
在一实施例中,进行动态优化以确定末端执行器以及C-T梁的尺寸,包括,设计附加质量分布,使所述柔性并联机构的第一共振模式达到目标频率。
在一实施例中,所述柔性并联机构的动态特性可以用以下公式表示:
|-w2·M8+K8|=0,
其中:w=2πF;
K8和M8分别表示所述柔性并联机构经过有限元法得到的刚度和质量矩阵;
w与F分别表示所述柔性并联机构的带宽与固有频率。
在一实施例中,动态优化的适应度函数由如下两个方程式表示:
其中:第一个方程是将所述柔性并联机构的第一共振模式(F1)提高到所需频率(Fd);
第二个方程式是通过使f的值最小化来使所述柔性并联机构的刚度特性尽可能高。
相较于现有技术,本发明的方法过程简单、易于实现,最终的设计结果具有很好的动态响应去耦运动以及高离轴刚度性能。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且,本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见,或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例共同用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是根据本发明一实施例的方法流程图;
图2是根据本发明一实施例的三自由度柔性并联机构结构建模图;
图3是根据本发明一实施例的柔性臂结构建模图;
图4是根据本发明一实施例的柔性臂C-T梁结构建模图;
图5是根据本发明一实施例的结构优化流程图;
图6是根据本发明一实施例的柔性并联机构的负载—位移模型图;
图7是根据本发明一实施例的柔性臂结构模型图;
图8是根据本发明一实施例的刚性优化工艺处理的柔性并联机构CAD模型图;
图9是根据本发明一实施例的动态优化过程中的设计变量定义示意图;
图10是根据本发明一实施例的经过动态优化处理后的柔性并联机构3D打印原型图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
由于具有弹性变形的特点,柔性机构具有很多优良性能,比如说没有齿隙,没有干摩擦,没有磨损和撕裂等。其能够进行可重复运动而成为创造定位系统的普遍选择。符合标准的柔性机构可以进行从纳米至厘米范围的精确运动,普遍应用于各种场合,如微型夹具、执行器、机械手和校正装置等。
由于闭环结构具有诸多优点,比如对外部机械扰动的不敏感性和高非致动刚度,高精度机械手多采用柔性并行机制。但是,由于柔性并行机制的柔性机构运动受力相对复杂,在设计柔性并联机构(CPM)的过程中不但需要进行大量的模拟设计计算、试验生产以及实物调试,这不但提高了柔性并联机构的设计成本,而且最终的设计结果也不能很好的达到理想性能要求。
针对上述问题,本发明提出了一种设计柔性并联机构的方法。弯扭梁(curved-and-twisted beam,C-T梁),指一端固定,另一端同时受到弯曲力和扭力作用的梁。在本发明的方法中,使用C-T梁作为基本设计模块的合成方法,利用基于梁的结构优化方法,来设计合成柔性并联机构。相较于现有技术,本发明的方法过程简单、易于实现,最终的设计结果具有很好的动态响应去耦运动以及高离轴刚度性能。
接下来基于流程图详细描述本发明实施例的实施过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序,但是在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示,在一实施例中,方法包括以下步骤:
S110,确定柔性并联机构的柔性臂配置;
S120,基于梁的方法定义柔性并联机构中每个柔性臂的详细结构,为柔性臂进行基于C-T梁的建模;
S130,针对柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,获取柔性并联机构的设计方案。
具体的,在一实施例中,在步骤S120中:
每个柔性臂建模为立方体,其一端是固定的,另一端连接到端部执行器;
由在平面上映射C-T梁的方式构成柔性臂的模型;
利用贝赛尔曲线(Bezier曲线)以及两端方向的线性变化扫描一个薄的矩形横截面积产生扭转角来创建C-T梁。
进一步的,在一实施例中,在利用贝赛尔曲线以及两端方向的线性变化扫描一个薄的矩形横截面积产生扭转角来创建C-T梁的过程中,其中,在合成过程中,C-T梁的几何形状发生变化,以满足端部执行器所需的自由度。
进一步的,在一实施例中,在步骤S130中,把多个梁元素网格化,采用有限元法解决合成过程中的优化问题。
具体的,如图1所示,在一实施例中,步骤S130包括:
S131,定义柔性并联机构的几何设计变量;
S132,进行刚度优化以确定C-T梁的优化几何形状以及CPM的离轴刚度;
S133,进行动态优化以确定末端执行器以及C-T梁的尺寸。
进一步的,在一实施例中,在步骤S131中,根据需要实现快速动态响应的要求定义柔性并联机构的几何设计变量。
进一步的,在一实施例中,在步骤S132中,根据外部负载的工作情况来制定刚度优化过程的适应度函数。
进一步的,在一实施例中,在步骤S133中,设计附加质量分布,使柔性并联机构的第一共振模式达到目标频率。
接下来基于具体应用环境来详细描述根据本发明实施例的方法的执行流程。在以下的实施例中,主要针对三自由度(θX-θY-Z)柔性并联机构进行设计优化,需要指出的是,本发明的方法并不仅限于三自由度(θX-θY-Z)柔性并联机构的设计优化,在本发明其它实施例中,根据最初的设计需求不同可以进行不同自由度的柔性臂配置以及几何设计变量设置。
进一步的,在一实施例中,基于3D打印技术制造本发明方法所设计的柔性并联结构。在本发明其他实施例中,也可采用其他方法进行制造。
典型的柔性并联机构由几个柔性臂连接的末端执行器构成,这些臂作为无摩擦支撑件产生弹性变形来推动末端执行器的运动。
在一实施例中,为了合成三自由度(θX-θY-Z)柔性并联机构,采用经典的对称3臂配置,每个柔性臂的详细结构将由基于梁的方法定义。每个臂建模为立方体,其一端是固定的,另一端连接到端部执行器,如图2所示。
进一步的,在一实施例中,基于梁的方法可用于合成具有多达6自由度的多自由度柔性并联机构,一般情况下,每个柔性臂必须达到6自由度。
为了实现6自由度,在一实施例中,如图3所示,每个柔性臂由在Y'Z'平面上映射C-T梁的方式构成。
进一步的,如图4所示,在一实施例中,利用贝赛尔曲线以及两端方向的线性变化扫描一个薄的矩形横截面积产生扭转角来创建C-T梁。在合成过程中,C-T梁的几何形状发生变化,以满足末端执行器所需的自由度。
进一步的,在一实施例中,基于梁的结构优化流程如图5所示。C-T梁法是把多个梁元素网格化,采用有限元法(FEM)解决合成过程中的优化问题。首先,定义几何设计变量。然后进行刚度优化,以确定C-T梁的优化几何形状以及CPM的离轴刚度。为了根据需要实现快速动态响应的要求,需要定义一些决定CPM形状和大小的设计变量。接着进行动态优化以确定末端执行器以及C-T梁的尺寸,附加质量也应该设计分布在合适的位置,使CPM的第一共振模式达到目标频率。完成以上步骤之后,将获得具有优化的刚度性能和所需动力特性的CPM的最终设计方案。
进一步的,在一实施例中,基于梁的方法被应用于合成3自由度空间运动CPM。合成的CPM必须具有低的致动刚度,以便实现更广的工作空间。另外,非致动刚度和起动刚度之间的刚度变化率往往需要设计的很大,以便抵抗外部干扰。为了获得良好的动态响应,CPM的第一共振频率必须达到目标值。
接下来详细描述图5中的刚度优化过程以及动态优化过程。
刚度优化:
具体的,在一实施例中,刚度优化的目的是通过确定C-T梁优化的几何形状来获得CPM的高刚度比(低驱动刚度和高非致动刚度)。通过优化的几何形状,CPM可以获得更大的工作空间,高离轴刚度以及良好的去耦性等性能。为了最大限度地提高CPM的刚度性能,需要确定四个元器件的变量。参考图4,12个变量用于定义贝塞尔曲线的坐标(xi,yi,zi)出发控制点(i=1,...,4),其中两个变量(αA和αB)用于工艺起始和结束的扭曲角度。此外,假设三个臂是旋转对称的,并且C-T梁的横截面积在刚度优化过程中是预先定义的。每个臂的体积设计为50×50×50mm3。
适应度(目标)函数是影响优化过程最终结果的关键因素。在一实施例中,对于基于梁的方法,根据外部负载的工作情况来制定刚度优化过程的适应度函数。三自由度(θX-θY-Z)CPM在一般载荷矢量P的影响下,受到来自X轴、Y轴、Z轴在Mx,My,Mz三个时刻三个方向的力Fx,Fy,Fz,如图6所示,由矢量P生成的加载点(Δx,Δy,Δz,θx,θy,θz)上的六个对应位移由位移矢量U表示。
由外部负载和相应的位移所作的功可以表示为
其中KiUi=Pi
K是CPM的6×6刚度矩阵,Ki表示沿着刚度矩阵K对角线对应于Pi和Ui的分量。三自由度(θX-θY-Z)CPM刚度特性可以由不可控功(WΔx,WΔy,WΔz)与期望功(Wθx,Wθy,Wθz)表示,最终的适应度函数表示为:
其中,
当κ=1时,如果P是单位扭矩,则f无量纲。
在一实施例中,使用Matlab中遗传算法(GA)求解器求解上式(2)中的方程,在刚度优化过程中得到定义C-T梁优化几何结构的十四个变量。
具体的,在一实施例中,一个根据优化参数建立的柔性臂结构的模型如图7所示。从图7可以看出,C-T梁的优化几何形状是平直的,没有扭曲角。本发明的方法能够根据所需的要求设计出性能良好的产品。此外每个臂中的对应C-T梁之间没有交叉,使得最终的C-T梁会存在微小的间隙。
在一实施例中,具有某些关键尺寸的CPM总体结构经过刚度优化过程后的CAD模型如图8所示。
动态优化:
在一实施例中,刚度优化后,通过动态优化过程提高CPM对目标频率的动态响应性能。
具体的,在一实施例中,通过优化八个设计变量来实现优化要求。如图9所示,图9中定义了CPM的详细形状和尺寸,包括C-T梁(b1,h1)的横截面面积,末端执行器(τ,t)的尺寸和质量以及C-T梁附加质量(b2,h2,p,l)。
CPM的动态特性可以用以下公式表示:
|-w2·M8+K8|=0 (3)
其中w=2πF。
K8和M8分别表示柔性并联机构经过有限元法(FME)得到的刚度和质量矩阵。w与F分别表示CPM的带宽与固有频率。
动态优化过程的适应度函数由两个方程式表示,如公式(4):
其中:第一个方程是将所述柔性并联机构的第一共振模式(F1)提高到所需频率(Fd);
第二个方程式是通过使f的值最小化来使所述柔性并联机构的刚度特性尽可能高。
公式(4)中F1是所有F(固有频率)中的最小值。
进一步的,在一实际应用场景中,CPM的制作材料为Ti6Al4V,其杨氏模量为111GPa,泊松比为0.34,密度为4.5g/cm3,屈服点极限为950MPa。
在一实施例中,使用Matlab中的多目标遗传算法求解器求解公式(4),并设置Fd=100Hz。在动态优化过程之后,CPM第一谐振频率为98Hz,非常接近100Hz,CPM相应的柔性矩阵C为:
经过动态优化过程后,CPM的最终结构如图10所示,CPM具有紧凑的尺寸,总体尺寸为192×166mm3。动态优化的八个优化变量如表1所示,并在图10中相应标记。为了容纳致动器,末端执行器尺寸设计的更大,其厚度相应地减小,以保证由r和t给出的优化质量。ANSYS的仿真结果表明,CPM可以实现±3°×±3°×2mm的工作空间。
设计变量 | 优化值 |
b1 | 0.49mm |
h1 | 9.41mm |
b2 | 1.00mm |
h2 | 12.56mm |
p | 3.73mm |
l | 11.18mm |
r | 25.58mm |
t | 5.13mm |
表1
由式(5)可知,矩阵C的离轴分量大多数为零,表明合成的CPM能够进行良好的去耦运动。此外,最终CPM的高离轴刚度可以通过以下两个刚度比来反映:
其中Ci表示沿着C的对角线的第ith分量。
可以看出,沿着Z轴的刚度比沿着X轴和Y轴的刚度低4372倍,围绕X轴和Y轴的旋转刚度比围绕Z轴的旋转刚度低267倍。经过动态优化的三自由度(θX-θY-Z)CPM具有高刚度比,其对非致动方向的外部载荷是不敏感的。
如图10所示,CPM原型由电子束熔融(EBM)3D打印技术制造完成,构件的方向与CPM原型的Z轴方向平行。由于CPM原型有些部位较薄,可以用卡尺检验原型的尺寸精度。测量结果表明,尺寸大于1mm时,3D打印技术制造的原型精度较高。对于更薄的部位,测量的厚度总是高于设计值,例如,C-T梁的测量厚度为0.8mm,设计值为0.49mm。
上述结果证明了本发明所提出的基于梁的方法在合成多自由度空间动态CPM中的有效性,并且显示3D打印技术,特别是EBM方法在精密机械手系统中能够制造出符合要求的机构。
综上,根据本发明一实施例,实现了一种基于3D打印技术制造的柔性并联机构来实现三自由度(θX-θY-Z)机械手方案。使用C-T梁作为基本设计模块的合成方法,该方法又被称为基于梁的结构优化方法,用来设计合成柔性并联机构。制造的CPM能够实现±3°×±3°×±2mm的工作空间,具有119Hz的快速动态响应,良好的去耦运动以及最低刚度比为203的高离轴刚度的性能。使用电子束熔化(EBM)技术来制造CPM,以便减少不必要的组装误差。系数因子的方法为分析3D打印技术制造的柔性结构的性能提供了坚实的基础。
虽然本发明所公开的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形,但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种设计柔性并联机构的方法,其特征在于,所述方法包括:
确定柔性并联机构的柔性臂配置;
基于梁的方法定义所述柔性并联机构中每个柔性臂的详细结构,为所述柔性臂进行基于C-T梁的建模;
针对所述柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,获取所述柔性并联机构的设计方案。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,基于梁的方法定义所述柔性并联机构中每个柔性臂的详细结构,为所述柔性臂进行基于C-T梁的建模,包括:
每个所述柔性臂建模为立方体,其一端是固定的,另一端连接到端部执行器;
由在平面上映射C-T梁的方式构成所述柔性臂的模型;
利用贝赛尔曲线以及两端方向的线性变化扫描一个薄的矩形横截面积产生扭转角来创建C-T梁。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,利用贝赛尔曲线以及两端方向的线性变化扫描一个薄的矩形横截面积产生扭转角来创建C-T梁,其中,在合成过程中,C-T梁的几何形状发生变化,以满足端部执行器所需的自由度。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,针对所述柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,其中,把多个梁元素网格化,采用有限元法解决合成过程中的优化问题。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,针对所述柔性臂的建模结果进行基于梁的结构优化,包括:
定义所述柔性并联机构的几何设计变量;
进行刚度优化以确定C-T梁的优化几何形状以及所述柔性并联机构的离轴刚度;
进行动态优化以确定末端执行器以及C-T梁的尺寸。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,定义所述柔性并联机构的几何设计变量,其中,根据需要实现快速动态响应的要求定义所述柔性并联机构的几何设计变量。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,进行刚度优化以确定C-T梁的优化几何形状以及所述柔性并联机构的离轴刚度,其中,根据外部负载的工作情况来制定刚度优化过程的适应度函数。
8.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,进行动态优化以确定末端执行器以及C-T梁的尺寸,包括,设计附加质量分布,使所述柔性并联机构的第一共振模式达到目标频率。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述柔性并联机构的动态特性可以用以下公式表示:
|-w2·M8+K8|=0,
其中:w=2πF;
K8和M8分别表示所述柔性并联机构经过有限元法得到的刚度和质量矩阵;
w与F分别表示所述柔性并联机构的带宽与固有频率。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,动态优化的适应度函数由如下两个方程式表示:
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<mi>min</mi>
<mi>i</mi>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
<mi>z</mi>
<mi>e</mi>
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<mi>F</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mo>|</mo>
<mo>,</mo>
</mrow>
</mtd>
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<mrow>
<mi>min</mi>
<mi>i</mi>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
<mi>z</mi>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>f</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中:第一个方程是将所述柔性并联机构的第一共振模式(F1)提高到所需频率(Fd);
第二个方程式是通过使f的值最小化来使所述柔性并联机构的刚度特性尽可能高。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180508 |
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