CN109189007A - 一种面向工业机器人的能量流建模方法 - Google Patents

一种面向工业机器人的能量流建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种面向工业机器人的能量流建模方法，包括以下步骤：首先引入能量流元作为工业机器人能量流建模分析的基本单元；随后建立面向工业机器人的能量流元数学模型；接着分析工业机器人的组成零部件，建立针对工业机器人的设计结构矩阵，进行基于设计结构矩阵的能量流元划分；并在在已建好的设计结构矩阵的基础上，进行基于模糊图论的能量流元划分；随后通过对能量流元间接口关系进行描述和表达；最后对能量流元的能量变化进行计算。

Description

一种面向工业机器人的能量流建模方法
技术领域
本发明涉及一种面向工业机器人的能量流建模方法，属于工业机器人技术领域。
背景技术
随着科学技术水平的进步与发展，工业机器人已经被广泛的应用于汽车制造、机械加工、电气电子等诸多工业生产领域，是衡量一个国家科技制造水平的重要标志之。但是，目前国内外学者对工业机器人关于能量的研究还有待深入，特别是关于能量建模这一方向。工业机器人的很多性能实现是和能量有关的，能量流的合理分布与消耗不仅是工业机器人性能保证的基础，更是工业机器人节能降耗设计所关心的目标。工业机器人的性能设计和节能降耗设计之间的交集是能量流，在能量消耗不增加的情况下，实现性能的提升或在保证性能实现的条件下，实现能量消耗降低都是节能降耗设计理念的体现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种面向工业机器人的能量流建模方法，在考虑其性能充分保证以及成本合理的前提下，进行能量流分析建模，实现工业机器人的节能降耗设计。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种面向工业机器人的能量流建模方法，包括以下步骤：
步骤1：引入能量流元作为工业机器人能量流建模分析的基本单元；
步骤2：建立面向工业机器人的能量流元数学模型；
步骤3：分析工业机器人的组成零部件，建立针对工业机器人的设计结构矩阵；
步骤4：在步骤3建好的设计结构矩阵的基础上，进行基于模糊图论的能量流元划分；
步骤5：根据步骤4中的能量流元划分对能量流元间接口关系T进行描述和表达，并通过步骤2的能量流元数学模型对能量流元的能量变化ΔE进行计算。
优选地，所述步骤2中面向工业机器人的能量流元数学模型的具体表达式为：
EFE＝(D，T，ΔE) (1)；
式(1)中，D＝(D1，D2，D3，...，Dn)，表示能量流元中所包含的零部件集合，每一个能量流元由一个或多个零部件组成，其中，Dn表示第n个零部件的形状、尺寸、重量的基本设计信息；
T表示能量流元间的接口关系，包括接触相邻、传递转换和空间相隔；
ΔE＝Ie-Oe，表示能量流元在性能实现过程中某个时间节点下的能量变化状态，其中，Ie表示该时间节点下输入能量状态，Oe表示该时间节点下输出能量状态。
优选地，所述步骤3中的设计结构矩阵具体计算公式如下：
ro＝ωcrc+ωgRg+ωere (2)；
式(2)中，ro是设计结构矩阵中非对角线元素值，ro＝(r1,r2,…rM)；ωc，ωg，ωe分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的权重；rc，rg，re分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的相关性数值。
优选地，步骤4中应用模糊图论的最大模糊树图生成算法对步骤3计算得到的设计结构矩阵ro＝(r1,r2,…rM)进行模糊聚类运算，实现能量流元划分，具体实施步骤如下：
4.1通过直线将关系值r1所关联的对象连接，然后在直线上写上关系值r1，同时确保连线中不出现交叉和回路，重复上述步骤，直到与r1，r2，...，rM关联的对象全部连接完毕，得到模糊最大生成树
4.2依据步骤4.1中模糊最大生成树各连线上的关系值，选取不同阈值λ，截取模糊最大生成树中小于阈值λ的边，得到的Tλ为模糊最大生成树的λ截树，每个子树表示一个能量流元，得到相对于不同阈值λ的能量流元划分方案。
优选地，所述步骤5中能量流元间的接口关系T的具体表达式为：
T＝[(NOi，STi，Ai)]N (3)；
式(3)中，NOi表示当前能量流元与第i个能量流元存在接口关系；STi表示当前能量流元与第i个能量流元之间的接口状态，当STi＝1时表示两个能量流元之间是接触式的能量传递，当STi＝0时表示两个能量流元之间是非接触式的能量传递；Ai表示当前能量流元对第i个能量流元的作用形式，当Ai＝1时表示施加能量作用，Ai＝-1时表示接受能量作用；式(3)中i＝1，2，3，…，N，N表示与当前能量流元存在接口关系的能量流元数量。
优选地，步骤5中每一个所述能量流元的能量变化ΔE根据步骤2中的能量流元数学模型结合零部件集合D结构进行计算。
有益效果：本发明提供一种面向工业机器人的能量流建模方法，引入能量流元作为能量流分析的基本对象，并对能量流元进行定义，通过能量流元划分、能量流元接口表达、能量变化ΔE实现能量流分析建模。本发明通过建立的能量流分析模型，依据工业机器人在性能实现的过程中各能量流元的能量变化ΔE，实现对工业机器人各零部件对能量或载荷的承受能力以及对各种性能影响方式的定性分析，为解决工业机器人性能实现和节能降耗设计冲突奠定了理论基础。
附图说明
图1是本发明的架构图；
图2是本发明的某型号工业机器人各零部件模糊最大生成树图；
图3是本发明的某型号工业机器人参与建模的个零部件名称及其编号；
图4是本发明的某型号工业机器人各零部件联接关系矩阵；
图5是本发明的某型号工业机器人各零部件形位关系矩阵；
图6是本发明的某型号工业机器人各零部件能量关系矩阵；
图7是本发明的某型号工业机器人各零部件综合设计结构矩阵；
图8是本发明的某型号工业机器人的能量流元划分结果方案。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
一种面向工业机器人的能量流建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：引入能量流元作为工业机器人能量流建模分析的基本单元；
步骤2：建立面向工业机器人的能量流元数学模型；
步骤3：分析工业机器人的组成零部件，建立针对工业机器人的设计结构矩阵；
步骤4：在步骤3建好的设计结构矩阵的基础上，进行基于模糊图论的能量流元划分；
步骤5：根据步骤4中的能量流元划分对能量流元间接口关系T进行描述和表达，并通过步骤2的能量流元数学模型对能量流元的能量变化ΔE进行计算。
优选地，所述步骤2中面向工业机器人的能量流元数学模型的具体表达式为：
EFE＝(D，T，ΔE) (1)；
式(1)中，D＝(D1，D2，D3，...，Dn)，表示能量流元中所包含的零部件集合，每一个能量流元由一个或多个零部件组成，其中，Dn表示第n个零部件的形状、尺寸、重量的基本设计信息；
T表示能量流元间的接口关系，包括接触相邻、传递转换和空间相隔；
ΔE＝Ie-Oe，表示能量流元在性能实现过程中某个时间节点下的能量变化状态，其中，Ie表示该时间节点下输入能量状态，Oe表示该时间节点下输出能量状态。
优选地，所述步骤3中的设计结构矩阵具体计算公式如下：
ro＝ωcrc+ωgrg+ωere (2)；
式(2)中，ro是设计结构矩阵中非对角线元素值，ro＝(r1,r2,…rM)；ωc，ωg，ωe分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的权重；rc，rg，re分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的相关性数值。
优选地，步骤4中应用模糊图论的最大模糊树图生成算法对步骤3计算得到的设计结构矩阵ro＝(r1,r2,…rM)进行模糊聚类运算，实现能量流元划分，具体实施步骤如下：
4.1通过直线将关系值r1所关联的对象连接，然后在直线上写上关系值r1，同时确保连线中不出现交叉和回路，重复上述步骤，直到与r1，r2，...，rM关联的对象全部连接完毕，得到模糊最大生成树
4.2依据步骤4.1中模糊最大生成树各连线上的关系值，选取不同阈值λ，截取模糊最大生成树中小于阈值λ的边，得到的Tλ为模糊最大生成树的λ截树，每个子树表示一个能量流元，得到相对于不同阈值λ的能量流元划分方案，如图2所示。
优选地，所述步骤5中能量流元间的接口关系T的具体表达式为：
T＝[(NOi，STi，Ai)]N (3)；
式(3)中，NOi表示当前能量流元与第i个能量流元存在接口关系；STi表示当前能量流元与第i个能量流元之间的接口状态，当STi＝1时表示两个能量流元之间是接触式的能量传递，当STi＝0时表示两个能量流元之间是非接触式的能量传递；Ai表示当前能量流元对第i个能量流元的作用形式，当Ai＝1时表示施加能量作用，Ai＝-1时表示接受能量作用；式(3)中i＝1，2，3，…，N，N表示与当前能量流元存在接口关系的能量流元数量。
优选地，步骤5中每一个所述能量流元的能量变化ΔE根据步骤2中的能量流元数学模型结合零部件集合D结构进行计算。
本发明中，所述能量流元是进行能量流建模分析的基本单元，同时也是工业机器人性能实现的能量载体，它包含了工业机器人性能实现时发生相互作用的各个零部件的设计信息、接口关系以及各个零部件之间的能量变化状态。
本发明的所述设计结构矩阵中，行列元素表示工业机器人的零部件的设计参数，矩阵中除对角线元素以外的单元值用来描述对应行列元素之间的联系，各个单元相对于矩阵主对角线的上下位置可用来表示对应的行列元素之间联系方向，在主对角线下方单元值表示关系/信息的发布是正向的，而在主对角线上方的单元值则表示关系/信息的反馈是反向的。
如图3所示，对某型号的工业机器人进行结构简化后得到的零部件及其编号，在建立所述工业机器人设计结构矩阵模型前，需要对工业机器人零部件进行适当的简化，遵循如下零部件简化规则：性能相关简化规则：参与设计结构矩阵建模的零部件都要和性能约束有关，对工业机器人性能实现无影响的零部件可以不需考虑，相关性不大的零部件需要做适当的简化；功能独立组件简化规则：在工业机器人的结构组成中存在许多难分解的具有独立功能的零部件，往往这些零部件的模块化程度较高，因而在工业机器人详细设计时对这些零部件的改动很少，根据工程经验，在进行能量流元划分的时候也将忽略这些零部件的外形结构尺寸，将它们作为一个或多个质量单元附加到与之相连的零部件上进行考虑。
如图4、5、6所示，对某型号的工业机器人进行了各零部件定量表达。在确定了所述简化后参与设计结构矩阵建模的行列元素后，将对这些元素之间的联系进行定量描述，主要从以下三点进行量化：零部件之间的联接关系、零部件之间的形位关系、工业机器人在性能实现过程中零部件之间的能量关系。联接关系主要是指零部件之间通过螺纹、键、销、铆接、焊接、胶接、过盈等方式结合在一起的一种关系；形位关系是指零部件在同轴度、平行度、垂直度等特定几何要素方面存在的一种严格要求的位置关系；能量关系是指零部件在工业机器人性能实现过程中传递的力、力矩、电流等。定量表示零部件联接关系相关性准则及赋值，零部件形位关系相关性准则及赋值，零部件能量关系相关性准则及赋值。
如图7所示，建立了某型号的工业机器人的综合设计结构矩阵。建立各个零部件之间综合相关性设计结构矩阵，具体计算公式如下：
ro＝ωcrc+ωgrg+ωere
式中，ro是设计结构矩阵(DSM)中非对角线元素值；ωc，ωg，ωe分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的权重；rc，rg，re分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的相关性数值。
如图2所示的某型号工业机器人各零部件模糊最大生成树图，应用模糊图论的最大模糊树图生成算法对设计结构矩阵进行模糊聚类运算，具体实施步骤为：
(1)通过直线将关系值r1所关联的对象连接，然后在直线上写上关系值r1，需要确保连线中不出现交叉和回路。重复上述步骤，直到与r1，r2，…，rM关联的对象全部连接完毕，得到模糊最大生成树
(2)依据模糊最大生成树各连线上的关系值，选取不同阈值λ，截取模糊最大生成树种小于阈值λ的边，得到的Tλ为模糊最大生成树的λ截树，每个子树表示一个能量流元，得到相对于不同阈值λ的能量流元划分方案；
所述能量流元间的接口关系T中，NOi表示当前能量流元与第i个能量流元存在接口关系(i＝1，2，3，...，N)；STi表示当前能量流元与第i个能量流元之间的接口状态，其中STi＝1表示两个能量流元之间是接触式的能量传递，STi＝0表示两个能量流元之间是非接触式的能量传递；Ai表示当前能量流元对第i个能量流元的作用形式，其中Ai＝1表示施加能量作用，Ai＝-1表示接受能量作用；N表示与当前能量流元存在接口关系的能量流元数量。
所述每一个能量流元的能量变化ΔE需要根据零部件集合D结构的复杂程度来进行计算，本领域技术人员可根据步骤2中的能量流元数学模型进行计算求得，属于常规技术手段，故而未加详述。
如图8所示，通过以上方法得到某型号工业机器人的能量流元划分结果方案。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的两种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种面向工业机器人的能量流建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：引入能量流元作为工业机器人能量流建模分析的基本单元；
步骤2：建立面向工业机器人的能量流元数学模型；
步骤3：分析工业机器人的组成零部件，建立针对工业机器人的设计结构矩阵；
步骤4：在步骤3建好的设计结构矩阵的基础上，进行基于模糊图论的能量流元划分；
步骤5：根据步骤4中的能量流元划分对能量流元间接口关系T进行描述和表达，并通过步骤2的能量流元数学模型对能量流元的能量变化ΔE进行计算。
2.根据权利要求1所述的一种面向工业机器人的能量流建模方法，其特征在于：所述步骤2中面向工业机器人的能量流元数学模型的具体表达式为：
EFE＝(D，T，ΔE) (1)；
式(1)中，D＝(D1，D2，D3，...，Dn)，表示能量流元中所包含的零部件集合，每一个能量流元由一个或多个零部件组成，其中，Dn表示第n个零部件的形状、尺寸、重量的基本设计信息；
T表示能量流元间的接口关系，包括接触相邻、传递转换和空间相隔；
ΔE＝Ie-Oe，表示能量流元在性能实现过程中某个时间节点下的能量变化状态，其中，Ie表示该时间节点下输入能量状态，Oe表示该时间节点下输出能量状态。
3.根据权利要求1所述的一种面向工业机器人的能量流建模方法，其特征在于：所述步骤3中的设计结构矩阵具体计算公式如下：
ro＝ωcrc+ωgrg+ωere (2)；
式(2)中，ro是设计结构矩阵中非对角线元素值，ro＝(r1,r2,…rM)；ωc，ωg，ωe分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的权重；rc，rg，re分别表示联接相关性、形位相关性和能量相关性的相关性数值。
4.根据权利要求1或3所述的一种面向工业机器人的能量流建模方法，其特征在于：步骤4中应用模糊图论的最大模糊树图生成算法对步骤3计算得到的设计结构矩阵ro＝(r1,r2,…rM)进行模糊聚类运算，实现能量流元划分，具体实施步骤如下：
4.1通过直线将关系值r1所关联的对象连接，然后在直线上写上关系值r1，同时确保连线中不出现交叉和回路，重复上述步骤，直到与r1，r2，...，rM关联的对象全部连接完毕，得到模糊最大生成树
4.2依据步骤4.1中模糊最大生成树各连线上的关系值，选取不同阈值λ，截取模糊最大生成树中小于阈值λ的边，得到的Tλ为模糊最大生成树的λ截树，每个子树表示一个能量流元，得到相对于不同阈值λ的能量流元划分方案。
5.根据权利要求1所述的一种面向工业机器人的能量流建模方法，其特征在于：所述步骤5中能量流元间的接口关系T的具体表达式为：
T＝[(NOi，STi，Ai)]N (3)；
式(3)中，NOi表示当前能量流元与第i个能量流元存在接口关系；STi表示当前能量流元与第i个能量流元之间的接口状态，当STi＝1时表示两个能量流元之间是接触式的能量传递，当STi＝0时表示两个能量流元之间是非接触式的能量传递；Ai表示当前能量流元对第i个能量流元的作用形式，当Ai＝1时表示施加能量作用，Ai＝-1时表示接受能量作用；式(3)中i＝1，2，3，…，N，N表示与当前能量流元存在接口关系的能量流元数量。
6.根据权利要求2所述的一种面向工业机器人的能量流建模方法，其特征在于：步骤5中每一个所述能量流元的能量变化ΔE根据步骤2中的能量流元数学模型结合零部件集合D结构进行计算。
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