CN110414071A - 一种重载机器人机构的参数同步优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重载机器人机构的参数同步优化方法，包括：对重载机器人机构各构件的几何形状进行简化，确定重载机器人机构各构件的结构参数对相应的惯量或结构刚度的解析关系；根据解析关系，构建构件结构参数优化的设计准则；根据确定的构件结构参数优化的设计准则，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型；对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解计算，得到参数同步优化结果。本发明是对重载机器人机构参数优化设计变量的一个拓展，可为重载机器人机构的详细设计提供指导，减少迭代设计次数。
Description
技术领域
本发明属于重载机器人机构设计技术领域，尤其涉及一种重载机器人机构的参数同步优化方法。
背景技术
航空航天领域铝合金厚板搅拌摩擦焊装备和金属板料渐进成形机器人装备等均为典型的重载机器人，其末端承载可达10kN以上。根据重载机构性能评价体系(包括末端的名义力/力矩、刚度特性、驱动能耗等)，重载机器人设计优化目标应与一般工业机器人有所区别：在机构参数设计阶段不仅要考虑运动特性(如操作灵巧性)，而且需考虑承载、刚度、惯量等和结构参数相关的特性，因此参数设计的变量不仅是运动尺度，还应该包括构件的结构参数。
重载机构设计需考虑构件的承载、刚度、惯量等物理属性，而在选定构件材料之后这些物理属性是由尺度和结构两种参数共同决定的，因此，若采用传统的分步设计方法先进行机构的运动尺度设计再进行构件结构参数设计，则会存在如下问题：设计获得的结构参数对应新的惯量参数，基于载荷传递分析又会获得新的运动副约束力，因此还需进行构件结构参数的再设计，如此反复，迭代设计次数过于冗长，严重影响效率。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种重载机器人机构的参数同步优化方法，是对重载机器人机构参数优化设计变量的一个拓展，可为重载机器人机构的详细设计提供指导，减少迭代设计次数。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种重载机器人机构的参数同步优化方法，包括：
对重载机器人机构各构件的几何形状进行简化，确定重载机器人机构各构件的结构参数对相应的惯量或结构刚度的解析关系；
根据解析关系，构建构件结构参数优化的设计准则；
根据确定的构件结构参数优化的设计准则，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型；
对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解计算，得到参数同步优化结果。
在上述重载机器人机构的参数同步优化方法中，对重载机器人机构各构件的几何形状进行简化，确定重载机器人机构各构件的结构参数对相应的惯量或结构刚度的解析关系，包括：
以杆件的直径和长度为基础，求取重载机器人机构各构件的物理参数大小，得到简化的构件结构形式；
根据简化的构件结构形式，利用基本有限元单元，解析计算各类型构件的等效结构刚度；
根据解析计算结果，确定重载机器人机构各构件的结构参数与对应的惯量或结构刚度的解析关系。
在上述重载机器人机构的参数同步优化方法中，根据解析关系，构建构件结构参数优化的设计准则，包括：
根据解析关系，对各构件进行基本假设与单元划分；
利用有限元法构造构件各弹性单元的动力学模型，结合变形协调条件和动力学约束，建立机构的整机弹性动力学模型；
建立各构件变形能密度计算模型，依据匀载设计准则，建立机构各构件结构力学性能对整体承载能力贡献的评价指标。
在上述重载机器人机构的参数同步优化方法中，根据确定的构件结构参数优化的设计准则，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型，包括：
提取关于重载机器人机构运动尺度和结构参数的设计变量，以及，提取关于重载机器人机构性能的承载、刚度和驱动效率作为优化目标；
考虑重载机器人机构可装配性、非奇异性和构件尺寸作为约束条件；
考虑构件结构参数优化的设计准则，以罚函数形式加入优化模型，采用多目标权重分配法，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型。
在上述重载机器人机构的参数同步优化方法中，对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解计算，得到参数同步优化结果，包括：
采用智能优化算法，对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解，得到参数同步优化结果；其中，在智能优化算法的搜索过程中，增加机构构件受力分析，联动设计变量各几何参数值，计算设计条件的各物理参数值。
在上述重载机器人机构的参数同步优化方法中，
联动设计变量，包括：尺度和结构参数；
设计条件，包括：重力、结构刚度和运动副约束力。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种重载机器人机构的参数同步优化方法，在机构概念设计阶段同步获得最佳的机构运动尺度与构件结构参数，突破了传统常用机构设计的“构型-尺度-结构”分步设计思路，是对机构设计理论方法的补充和拓展，为重载机器人机构参数设计提供新的思路，可为重载机器人机构的详细设计提供指导，减少迭代设计次数。
附图说明
图1是本发明实施例中一种重载机器人机构的参数同步优化方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种在以TRICEPT为构型的重型并联机器人机构参数优化设计中的应用图释。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种重载机器人机构的参数同步优化方法，借助弹性动力学理论，建立机构的单构件和整机弹性动力学模型，提取优化设计变量，基于机构运动学、静力学和动力学性能指标确定优化目标，考虑机构各构件结构匀载性及其它约束条件，建立机构的尺度-结构参数同步优化模型；在优化算法的搜索过程增加机构构件受力分析，联动设计变量(尺度、结构参数)各几何参数值，计算设计条件(重力、结构刚度、运动副约束力)各物理参数值。
如图1，该重载机器人机构的参数同步优化方法，具体可以包括：
步骤101，对重载机器人机构各构件的几何形状进行简化，确定重载机器人机构各构件的结构参数对相应的惯量或结构刚度的解析关系。
在本实施例中，可以对重载机器人机构各构件的几何形状进行简化，以杆件(如液压缸、电动缸等构件)的直径(构件结构)和长度(机构尺寸)为基础，求取重载机器人机构各构件的物理参数质量和惯性力大小，得到简化的构件结构形式。根据简化的构件结构形式，利用基本有限元单元，解析计算各类型构件的等效结构刚度；根据解析计算结果，确定重载机器人机构各构件的结构参数与对应的惯量或结构刚度的解析关系。
步骤102，根据解析关系，构建构件结构参数优化的设计准则。
在本实施例中，可以根据解析关系确定机构特点，进而基于机构特点对各构件进行基本假设与单元划分；利用有限元法构造构件各弹性单元的动力学模型，结合变形协调条件和动力学约束，建立机构的整机弹性动力学模型。建立各构件变形能密度(即单位体积内储存的变形能)计算模型，依据匀载设计准则，即等应变能密度准则或刚度分布均匀性，建立机构各构件结构力学性能对整体承载能力贡献的评价指标。
步骤103，根据确定的构件结构参数优化的设计准则，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型。
在本实施例中，可以提取关于重载机器人机构运动尺度和结构参数的设计变量，以及，提取关于重载机器人机构性能的承载、刚度和驱动效率作为优化目标；考虑重载机器人机构可装配性、非奇异性和构件尺寸作为约束条件；考虑构件结构参数优化的设计准则，以罚函数形式加入优化模型，采用多目标权重分配法，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型。
步骤104，对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解计算，得到参数同步优化结果。
在本实施例中，可以采用智能优化算法，对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解，得到参数同步优化结果。其中，在智能优化算法的搜索过程中，增加机构构件受力分析，联动设计变量各几何参数值，计算设计条件的各物理参数值。
优选的，联动设计变量包括但不仅限于：尺度和结构参数等；设计条件包括但不仅限于：重力、结构刚度和运动副约束力等。
在上述实施例的基础上，下面结合一个具体实例进行说明。
如图2，示出了本发明实施例中一种在以TRICEPT为构型的重型并联机器人机构参数优化设计中的应用图释。在图2中，各附图标记的含义如下：1：TRICEPT构型并联机器人，2：示意的一个加工工件，3：设计的一个螺旋加工机器人末端运动轨迹(下文以字母L表示)。该TRICEPT构型并联机器人1由基座4、驱动支链6(3个)、约束支链5(1个)和运动平台8组成，其中，三个驱动支链6通过连接的伺服电动缸7来实现精确的线性位移，运动平台8连接末端工具(主轴头9)。
该TRICEPT构型并联机器人的参数同步优化的具体流程可以如下：
(1)各构件的结构参数对其惯量或结构刚度的解析关系
对构件的几何形状进行一定的简化：针对重型承载较好的并联机构进行统一的设计，把并联机构的动静平台以及支链简化。
具体的：
a)将动平台8简化成截面面积为Ap，高为hp的圆柱体结构。
b)将各支链简化成有限个单元体，每个单元体看成长为li截面面积为Ai的长杆件，n个单元体通过铰接形式连接起来。
进而，所有的优化设计变量(简化的构件结构形式)表示为：Xd＝[l1 l2…ln]，Xs＝[A1 A2…An Ap hp]。
基于简化的构件结构形式，根据几何计算能够得到各运动杆件质量、转动惯量以及质心的相对位置计算模型；同时考虑各个有限单元的材料属性，可计算出完整的质量矩阵，并建立机构各类型构件的等效结构刚度计算模型。
得到结构的全局弹性动力学方程(忽略阻尼影响)：
其中，M表示质量矩阵，是一个广义坐标下的包含每个弹性杆件的n×n矩阵；K表示刚度矩阵，F表示作用在机器人上的广义外力，Ue表示广义坐标形式的弹性变形向量，Ur表示刚体位移向量。
弹性静力学方程：
(2)构件结构参数优化的设计准则
根据已知的末端运动轨迹3，基于运动弹性静力学(KES：Kineto-ElasticStatics)，通过弹性势能推导得出设计准则：刚度分布密度指标(SDD：StiffnessDistribution Density)。
由于每一个支链中各单元在尺度上的刚度矩阵都不同，故，刚度矩阵不能直接评价分布特性，全局刚度需要转换求解得到。利用弹性力学的能量方程，推导得到刚度分布密度指标，推导过程如下：
在优化设计阶段忽略阻尼的因素，基于并假设得到全局弹性势能密度ρS：
其中，Vi表示各杆件的体积。
进一步，得到第i个杆件的弹性势能密度
根据式①和式②，可以推导出在末端为某点处构型的局部的刚度分布密度指标：
但是，由于末端的运动是全局的，需要满足末端每个点刚度需求，故提出全局的指标，同一杆件在运动路径L的总体弹性势能密度：
到全局刚度分布密度(SDD)指标：
上述指标表明了机构在整个工作轨迹过程中，每个杆件的刚度分布的均匀性，在优化过程中，的值取最小值，代表机构的刚度分布均匀性最好。
(3)建立重载机器人机构运动尺度与构件结构参数同步优化模型
结合低速重载的工作环境提出了包含4种动态性能指标，来设计优化目标。
i)刚度分布密度指标
如上所述，指标主要表征机构在运动轨迹过程中，各杆件刚度分布均匀度的指标。其值越小越好，是一个无量纲的值。
ii)全局平均末端刚度指标
根据KES分析，可以得到机构的刚度矩阵K，刚度矩阵K是一个广义坐标下的包含每个弹性杆件的n×n矩阵，可由此推导出末端刚度：根据R.Guyan的静态压缩方法，减掉非机器人末端执行器相关的位移，留下末端位移，推导出刚度矩阵K与末端执行器刚度矩阵Kend的关系：
其中，Kcc、Kpp、Kcp为基于R.Guyan方法的K矩阵的分解结果。
取：ke＝tr(Kend)为构型相关的刚度参数，并以此引申到工作轨迹L下的的指标：
值越大代表末端刚度性能越好。
iii)全局最小末端刚度指标
末端刚度矩阵Kend如上所述，但是在设计过程中需要考虑刚度最小时的性能，故引入全局最小末端刚度指标：
值越大代表末端刚度性能越好。
iiii)质量指标
设计过程中，由于考虑经济性需要所需材料的质量最小，故质量指标为：
值越小，代表经济性越好。
综上，根据如上面所详述的四种性能评价指标，建立全局的优化目标函数：
其中，wi(i＝1-4)为权重因子。
优化问题同时需要考虑约束条件：
i)可组装性：各个杆件需要能够组装起来，避免杆件过小或者过薄；
ii)杆长比例限制：相邻两杆需要有一个合理的杆长比例，两杆间过大的比例差距易导致奇异同时不易满足工作空间的要求；
iii)截面比例限制：相邻两杆的截面比例需要再合理的比例内。
故引入罚函数，将各个约束考虑进来：
最终，运动尺度与构件结构参数同步优化模型为：
(4)运动尺度与构件结构参数同步优化模型的求解计算，
针对上述所建立的运动尺度与构件结构参数同步优化模型，采用粒子群优化算法，在TRICEPT为构型的重型并联机器人上进行案例分析与方法验证。
根据三驱动支链6(三个驱动支链设定为相等)以及一个约束支链5，确定了TRICEPT机构1的整体优化参数为：
X＝[la,lc,da,dc,αa,αc,αp]
其中，[la,lc]是尺度变量，[da,dc,αa,αc,αp]是结构变量，设定三驱动支链下连杆长度尺寸la及截面圆直径da，约束支链的下连杆长度尺寸lc及截面圆直径dc，三驱动支链上下连杆截面直径比为αa，约束支链上下连杆截面直径比为αc，机构动平台直径与定平面直径的比为αp。
根据运动尺度与构件结构参数同步优化模型，可得到优化之后的结构与尺度参数。
优化前后，多优化目标F的值从3.3494降至2.3443，的值从0.9931降至0.3371，1/的值从1.2786e-10降到2.2983e-11，1/的值从1.2796e-10降到2.2991e-11，的值从2.3499降至2.0072。
综上，本发明提供的一种重载机器人机构的参数同步优化方法在TRICEPT并联机构优化设计中应用，优化效果明显，验证了同步优化方法的正确性。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种重载机器人机构的参数同步优化方法，其特征在于，包括：
对重载机器人机构各构件的几何形状进行简化，确定重载机器人机构各构件的结构参数对相应的惯量或结构刚度的解析关系；
根据解析关系，构建构件结构参数优化的设计准则；
根据确定的构件结构参数优化的设计准则，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型；
对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解计算，得到参数同步优化结果。
2.根据权利要求1所述的重载机器人机构的参数同步优化方法，其特征在于，对重载机器人机构各构件的几何形状进行简化，确定重载机器人机构各构件的结构参数对相应的惯量或结构刚度的解析关系，包括：
以杆件的直径和长度为基础，求取重载机器人机构各构件的物理参数大小，得到简化的构件结构形式；
根据简化的构件结构形式，利用基本有限元单元，解析计算各类型构件的等效结构刚度；
根据解析计算结果，确定重载机器人机构各构件的结构参数与对应的惯量或结构刚度的解析关系。
3.根据权利要求1所述的重载机器人机构的参数同步优化方法，其特征在于，根据解析关系，构建构件结构参数优化的设计准则，包括：
根据解析关系，对各构件进行基本假设与单元划分；
利用有限元法构造构件各弹性单元的动力学模型，结合变形协调条件和动力学约束，建立机构的整机弹性动力学模型；
建立各构件变形能密度计算模型，依据匀载设计准则，建立机构各构件结构力学性能对整体承载能力贡献的评价指标。
4.根据权利要求1所述的重载机器人机构的参数同步优化方法，其特征在于，根据确定的构件结构参数优化的设计准则，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型，包括：
提取关于重载机器人机构运动尺度和结构参数的设计变量，以及，提取关于重载机器人机构性能的承载、刚度和驱动效率作为优化目标；
考虑重载机器人机构可装配性、非奇异性和构件尺寸作为约束条件；
考虑构件结构参数优化的设计准则，以罚函数形式加入优化模型，采用多目标权重分配法，构建运动尺度与构件结构参数同步优化模型。
5.根据权利要求1所述的重载机器人机构的参数同步优化方法，其特征在于，对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解计算，得到参数同步优化结果，包括：
采用智能优化算法，对运动尺度与构件结构参数同步优化模型进行求解，得到参数同步优化结果；其中，在智能优化算法的搜索过程中，增加机构构件受力分析，联动设计变量各几何参数值，计算设计条件的各物理参数值。
6.根据权利要求5所述的重载机器人机构的参数同步优化方法，其特征在于，
联动设计变量，包括：尺度和结构参数；
设计条件，包括：重力、结构刚度和运动副约束力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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 | ||
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Application publication date: 20191105 |