[发明专利]六自由度并联平台结构参数优化方法有效

专利信息
申请号: 201710383403.2 申请日: 2017-05-26
公开(公告)号: CN107336231B 公开(公告)日: 2020-03-24
发明(设计)人: 张帅帅;刘明;唐兴鹏;樊铭渠;朱志强;李贻斌 申请(专利权)人: 山东科技大学
主分类号: B25J9/16 分类号: B25J9/16
代理公司: 济南日新专利代理事务所 37224 代理人: 王书刚
地址: 266590 山东省青岛*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 自由度 并联 平台 结构 参数 优化 方法
【权利要求书】:

1.一种六自由度并联平台结构参数优化方法,其特征是,包括以下步骤:

(1)确定六自由度并联平台动平台工作空间大小;

(2)确定六自由度并联平台灵巧度;

(3)构建由六自由度并联平台工作空间大小及灵巧度评价函数组成的结构参数优化目标函数;使并联平台能够获得最大的工作空间和最优的灵巧度指标;

(4)确定六自由度并联平台结构参数优化的约束条件,包括奇异性约束、运动副铰链转角转动范围限制、变长杆件之间的干涉以及变长杆件行程的约束;

(5)建立面向结构参数优化的多目标-多约束算法;

(6)设计基于蒙特卡洛方法结构参数的优化过程,并由此得到六自由度并联平台的结构参数优化方法。

2.根据权利要求1所述的六自由度并联平台结构参数优化方法,其特征是,所述步骤(1)确定六自由度并联平台动平台工作空间大小的具体过程为:

并联平台的工作空间坐标系中,纵坐标为俯仰角α,底平面由横滚角β和偏转角γ构成;

首先,根据平台的结构初步估计工作空间中俯仰角α的运动范围,作为俯仰角α的搜索范围;然后用n个平行于底平面的平面将俯仰角α的运动范围平分;最后,在每个平行于底平面的平面内分别搜索满足奇异性约束、运动副铰链转角转动范围限制、变长杆件的干涉约束和变长杆件行程约束的点,所得到的点的集合的边界就是当并联平台的处于当前俯仰角时并联平台的运动范围;

假设每个位于运动范围内的点所占用区域的面积为单位1;分别计算每个平行于底面的平面上位于工作空间范围内的单位面积的个数,即为并联平台在这个俯仰角时运动范围的面积Si,i=1,2,......n,n≥1;

将所有俯仰角平面中包含于运动范围内的单位面积相加,即并联平台整个工作空间的面积S:

上式即为并联平台工作空间大小的定量分析结果。

3.根据权利要求1所述的六自由度并联平台结构参数优化方法,其特征是,所述步骤(2)确定六自由度并联平台灵巧度的过程是;

灵巧度用来衡量并联平台处于某一位姿下的可控性,其值用雅克比矩阵的条件数来表示;矩阵的条件数等于矩阵的范数与矩阵逆的范数的乘积,采用Frobenius范数;并联平台雅克比矩阵的条件数为:

其中,tr()为矩阵的迹,C为雅克比矩阵的条件数,并作为衡量并联平台灵巧度的指标,该值越小,并联平台的灵巧度越高,控制性能越好;J为并联平台的雅克比,力雅克比JT为并联平台雅克比的转置;

并联平台的平均灵巧度是指其在工作空间内所有位姿下的灵巧度平均值,如下式所示:

其中,N为并联平台工作空间内包含点的总数目,Caver为平均灵巧度指标,Ci为并联平台处于工作空间内某一位姿时的灵巧度指标。

4.根据权利要求1所述的六自由度并联平台结构参数优化方法,其特征是,所述步骤(3)中构建结构参数优化的目标函数的过程是:

对平台工作空间指标和灵巧度指标进行归一化处理,如下式:

其中,C01和V01分别为并联平台灵巧度和工作空间的归一化指标,取值范围均为[0,1];Cavermax为所有灵巧度指标的最大值,Cavermin为所有灵巧度指标的最小值,Vmax为工作空间指标的最大值,Vmin为工作空间指标的最小值;Caver和V分别为并联平台的平均灵巧度和工作空间指标;

对已归一化的指标C01和V01建立目标函数,如下式:

ε=kcC01+kvV01

其中,kc为灵巧度加权因子,0<kc<1,kv为工作空间加权因子,0<kv<1,且kc+kv=1;ε为结构参数选型指标,取值范围为[0,1],且该值越接近1,并联平台综合性能越好。

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