新型四自由度3T1R并联机器人机构运动学分析与优化设计

目的 针对自动化生产线分拣需求,提出一种新型四自由度的三平移一转动（3T1R）并联机器人机构。方法 根据方位特征集设计理论验证并联机器人机构的运动性质。利用机构的构型特点建立运动学方程模型,对其进行位置正解和逆解的分析,通过数值法搜索得到并联机器人机构的工作空间图形和转动能力等高线图。同时分析并联机器人机构的雅可比矩阵JX以及奇异性。最后以工作空间最大化作为适应度函数,基于遗传算法对机构结构尺寸进行最优化分析。结果 该机构操作空间具有规则形状、无空洞、较大的特点,优化后的并联机器人机构工作空间性能提升45%。结论 操作空间内运动灵活性较好,优化后工作空间性能得到显著改善。在电子包装自动化生产线搬运分拣领域具有较好的应用前景。     

新型3T1R并联机器人机构运动学分析与参数优化

目的 针对生产线码垛作业货物搬运需求,设计一种3T1R码垛并联机器人机构.方法 利用方位特征方程分析机器人机构的自由度、耦合度、方位特征集等拓扑结构特性.根据运动副的构型建立运动学逆解模型,考虑到码垛机器人运动范围的精度需求,采用一种新型的数值搜索法实现并联机构工作空间的快速高效搜索,同时,分析结构参数对工作空间体积的影响,选择鲸鱼优化算法对结构参数进行最优化设计.结果 分析得到的机构工作空间较大且连续性较好,新型的数值搜索法可快速有效地搜索,得到准确的工作空间边界.结论 优化后的并联机构具有良好的工作空间和较好的应用前景.     

基于SGA-BP-GA方法的FPSO舷侧结构耐撞性能优化设计

由于船体结构及碰撞优化的复杂性,使得传统优化方法难以有效进行。基于遗传算法、模拟退火算法和BP神经网络,结合正交试验设计和ABAQUS参数化仿真技术,提出一种新的结构耐撞性优化方法——SGA-BP-GA。为了提高BP网络对结构耐撞性指标的预测精度和泛化能力,利用模拟退火算法的概率突跳特性克服遗传算法易早熟和陷于局部最优的缺点,在此基础上采用模拟退火遗传算法(SGA)对BP网络的权重进行优化。采用提出的SGA-BP-GA方法对FPSO舷侧结构耐撞性能进行优化设计,以验证其准确性与可行性。结果表明:与传统BP、GA-BP和SA-BP相比,SGA-BP具有更高的预测精度和泛化能力;与GA-BP-GA方法相比,SGA-BP-GA优化结果仍提高了5.34%;提出的SGA-BP-GA方法能够较好的适用于复杂的船体结构耐撞性优化设计。     

离散变量结构优化设计的拟满应力遗传算法

以力学准则法为基础,提出了一种求解离散变量结构优化设计的拟满应力方法;这种方法能直接求解具有应力约束和几何约束的离散变量结构优化设计问题。通过在遗传算法中定义拟满应力算子,建立了一种离散变量结构优化设计的混合遗传算法拟满应力遗传算法。算例表明:这种混合遗传算法对于离散变量结构优化设计问题具有较高的计算效率。     

生活垃圾专用装载装置尺寸优化设计

 针对现有垃圾中转站无法与压缩车配套使用的问题,提出了新型生活垃圾中转站装载装置方案.运用遗传算法对生活垃圾六杆举卸装置进行运动优化设计,建立了目标函数和约束条件,实现了垃圾翻斗举卸轨迹的优化,利用ADAMS进行了动力优化,确定了相关构件的结构参数.在优化设计的基础上制作了主体机构样机模型,试验表明该装置达到了预期设计要求.     

基于BP网络和遗传算法的枪架结构优化

为提高机枪的射击精度,需要对机枪枪架的结构参数进行优化设计。基于CAE软件的结构优化有其自身的局限性,所以提出了一种新的优化方法,即联合应用BP网络和遗传算法。本文以此为基础,根据机枪有限元模型,对枪架结构参数进行了优化设计,结果表明：BP网络和遗传算法相结合的方式可适用于多设计变量的枪架参数优化设计,为其它复杂结构的参数优化提供了新的思路。     

6_PUS并联机器人动力学性能参数优化设计

为优化一种风洞6_PUS并联支撑机器人的动力学性能参数,采用螺旋理论推导了该机构的力雅可比矩阵和Hessian矩阵,并基于一、二阶影响系数法,在全域工作空间内,对影响6_PUS风洞并联支撑机器人动力学性能指标的主要结构参数进行了优化分析.对该机器人动平台、球铰位置、拉杆长度、平行梁宽度等参数对动力学性能的影响进行了仿真.从仿真结果来看,6_PUS并联机器人的动力学性能较差,要使机器人获得最佳的综合性能,则需要对这些参数进行综合优化.通过对这些参数和性能关系之间的全面考虑,最后选定了并联机器人的主要设计参数,使机构性能达到了设计要求.     

Gough-Stewart并联机构谐振频率特性试验研究

对具有不同结构参数的Gough-Stewart并联机器人机构进行典型位姿下的脉冲激励试验,研究系统谐振频率随结构参数和位姿的变化规律。首先,按照一定的结构参数装配机构,在上平台的结构特征点布设加速度计。然后,在典型位姿进行脉冲激励,记录特征点空间三个自由度方向上的加速度响应,利用分析软件求解频率响应函数曲线,并进行谐振频率辨识,分析谐振频率随位姿的变化情况。最后,改变结构参数重新装配机构,重复试验过程,分析谐振频率随结构参数的变化情况。研究结果可作为机器人动态优化设计与控制器设计的参考。     

电磁超声兰姆波换能器多目标优化设计

针对电磁超声兰姆波换能器激发的兰姆波存在多模式、频散现象和信号较弱的问题,结合铝合金板材检测背景,提出一种基于＂双交点法＂、＂零斜率准则＂和正交试验设计相结合的电磁超声兰姆波换能器多目标优化设计方法。其中,＂双交点法＂可有效削弱兰姆波多模式现象的影响,＂零斜率准则＂能够有效降低兰姆波的频散现象,而正交试验设计方法可有效提高电磁超声兰姆波信号的幅值。依据所提优化设计方法,对一个在铝板检测中常用的电磁超声兰姆波换能器的9个主要参数进行了多目标优化设计。实验表明,优化后,兰姆波信号中的多模式、频散现象得到显著抑制,而且信号幅值得到明显提升,有效改善了电磁超声兰姆波换能器的工程实用性。     

基于改进目标检测算法的AGV避障方法研究

目的 针对食品包装的抓取和装配,利用人工成本高且容易装错等问题,基于方位特征(POC)方程的并联机构结构综合方法,提出一种以3PUPaR并联机构为主体的抓取机器人机构。方法 计算3PUPaR并联机构的自由度、方位特征集以及耦合度等拓扑特性,验证机构具有空间纯移动的运动特性,建立机构的运动学逆解方程,基于此,采用数值法得到机构的工作空间与运动灵巧度。并研究参数尺寸大小对工作空间与全局灵巧度的影响,以全局灵巧度和工作空间为优化目标,选择具有Pareto解的NSGA-II算法完成多目标参数优化。结果 结果表明,机构具有较大且连续的工作空间。结论 该新型三自由度并联机器人能够满足食品包装的抓取和装配时运动范围。     

柔性仿人机械臂设计与动力学仿真

为优化仿人机器人手臂设计,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法对动力学方程进行解耦;编写了自适应变步长求解算法;在ADAMS虚拟样机和MATLAB上对水平面内的柔性手臂运动进行了仿真,人体手臂的运动仿真在虚拟样机进行．以人体手臂运动为参考,对比分析了变截面和等截面手臂的柔性变形,比较6种不同材质手臂运动中的末端横向变形量．仿真结果表明：等截面的仿人手臂运动可以近似等效为人体手臂的运动;柔性仿人手臂末端轴向变形量远小于横向变形量,对要求不高场合可以适当忽略柔性手臂的轴向变形;ABS材质的仿人机器人手臂柔性和人体手臂较为接近;改变ABS材质手臂的截面高度,可使得仿人手臂末端柔性和人体手臂一致,且振动主频和人体手臂固有频率不同．     

Differential evolution techniques for the structure-control design of a five-bar parallel robot

The present work deals with the use of a constraint-handling differential evolution algorithm to solve a nonlinear dynamic optimization problem (NLDOP) with 51 decision variables. A novel mechatronic design approach is proposed as an NLDOP, where both the structural parameters of a non-redundant parallel robot and the control parameters are simultaneously designed with respect to a performance criterion. Additionally, the dynamic model of the parallel robot is included in the NLDOP as an equality constraint. The obtained solution will be a set of optimal geometric parameters and optimal PID control gains. The optimal geometric parameters adjust the dynamic and the kinematic parameters, optimizing then, the link shapes of the robot. The proposed mechatronic design approach is applied to design simultaneously both the mechanical structure of a five-bar parallel robot and the PID controller.     

Revolute manipulator workspace optimization using a modified bacteria foraging algorithm: A comparative study

Robotic manipulators with three-revolute (3R) motions to attain desired positional configurations are very common in industrial robots. The capability of these robots depends largely on the workspace of the manipulator in addition to other parameters. In this study, an evolutionary optimization algorithm based on the foraging behaviour of the Escherichia coli bacteria present in the human intestine is utilized to optimize the workspace volume of a 3R manipulator. The new optimization method is modified from the original algorithm for faster convergence. This method is also useful for optimization problems in a highly constrained environment, such as robot workspace optimization. The new approach for workspace optimization of 3R manipulators is tested using three cases. The test results are compared with standard results available using other optimization algorithms, i.e. the differential evolution algorithm, the genetic algorithm and the particle swarm optimization algorithm. The present method is found to be superior to the other methods in terms of computational efficiency.     

基于轴孔装配的机械操作臂逆向自律分散控制

 基于轴孔装配作业的特点,在自律分散控制的基础上,提出了一种逆向自律分散控制算法,用以规划机械操作臂的运动, 避免了求逆解的冗长过程,简化了对机械操作臂的控制。并通过对四自由度的平面机械手的运动仿真,验证了该算法的正确性。     

Design optimization of a spatial hybrid mechanism for micromanipulation

Traditional parallel manipulators suffer from errors due to backlash, hysteresis, and vibration in the mechanical joints. The hybrid mechanism is built through the reconfiguration of parallel-serial structure. In this paper, a new 3SPS + RPR spatial hybrid mechanism which has three degrees of freedom (DOF) and can generate motions in a microscopic scale is proposed. As a reliable compliant hybrid mechanism which provides micro/nano scale micromotion with high accuracy, it can be utilized for biomedical engineering and fiber optics industry. The detailed design of the structure is first introduced, followed by the kinematic analysis and performance evaluation. Based on the kinetostatic model, the joint and link compliances of the passive constraining leg are investigated. Second, a finite-element analysis of resultant stress, strain, and deformations is evaluated based upon different inputs of the three piezoelectric actuators. Finally, the genetic algorithms and radial basis function networks are implemented to search for the optimal architecture and behavior parameters in terms of global stiffness/compliance, dexterity and manipulability. The proposed analysis and optimization methodology is intuitive and effective that offers a constructive way for design optimization of the family of parallel/hybrid manipulators.     

Optimal synthesis for a continuous prescribed dexterity interval of a 3‐dof parallel planar manipulator for different prescribed output workspaces

In this paper, a numerical optimization methodology for synthesizing parallel manipulators for a desired workspace, previously developed by the authors, is extended to determining the design of a three degree of freedom planar parallel manipulator with regard to a specified continuous dexterity capability. In particular the extended method seeks, for a prescribed (2‐D) physically reachable output workspace, a design that yields an output workspace that will not only fully enclose the prescribed physical output workspace with the specified continuous dexterity capability at each point, but will also be optimally conditioned. The performance index chosen corresponds to the condition number of the Jacobian of the manipulator, and the optimum design with respect to the manipulator design variables, is obtained by minimizing the condition number over the enclosed prescribed physical workspace for a continuous range of platform orientations. The proposed optimization methodology produces convincing results, indicating it to be a stable and efficient numerical method for designing planar parallel manipulators for continuous dexterity capability. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

新型并联机器人的构型设计与运动学分析

目的针对袋装食品的抓取和装箱过程操作简单且重复性高,采用人工完成的成本过高,极易发生少装和错装的现状,设计一种以2-RPS-UPU并联机构为主体的抓取和装箱机器人,验证其是否具有良好的运动学性能。方法通过运用螺旋理论和修正的Grubler-Kutzbach公式对机构的自由度数目和类型进行分析,接着使用"闭环解析法"和"欧拉角表示法"2种方法推导该机构的运动学位置反解,采用粒子群优化算法对该机构进行位置正解算例分析。最后利用SolidWorks软件采用"驱动动静结合"的方法求解机构的工作空间。结果该机器人具有3个自由度(两转一移),驱动关节和末端执行器之间的位置及姿态关系明确,可以进行良好的线性运动,工作空间呈蜘蛛网状,范围广且形状规则对称,结构紧凑。结论该新型三自由度并联机器人能够满足袋装食品抓取和装箱时所需的运动和工作范围,其运动平稳,可靠性强。     

平面整体式三自由度全柔顺并联机构拓扑优化构型设计及振动频率分析

通过建立并联原型机构的微分雅克比矩阵方程,实现平面整体式三自由度全柔顺并联机构与并联原型机构之间的矢量同构映射。在此基础上,建立平面整体式3-PRR型全柔顺并联机构SIMP拓扑优化模型,并采用优化准则算法,结合矢量同构映射方程,进行了平面整体式3-PRR型全柔顺并联机构同构构型设计,通过应力分布和前四阶振动固有频率仿真对比研究表明：所采取的拓扑优化设计方法使平面整体式全柔顺并联机构具有一定的均布刚度和较好的振动抑制性能,且对其振动频率的分析可为机构尺寸优化及振型优化提供了重要的依据。同时,微运动特性的仿真表明其与传统并联原型机构之间的运动学同构性一致。该结果对平面整体式全柔顺并联机构的构型拓扑优化设计有实际意义。     

基于有限和瞬时旋量理论的Exechon并联机器人运动学分析

运动学分析是并联机构性能分析、建模和优化设计的基础。传统的运动学分析方法中并联机构的拓扑模型与速度模型只能单独构建,无法揭示其内在联系,导致运动学模型的构建不够全面和准确;另外,以现有运动学性能指标作为运动学优化目标时,存在平转耦合机构运动学评价指标的物理意义不明确等问题。为此,以一平动两转动(1T2R)的Exechon并联机器人为研究对象,利用有限和瞬时旋量(finite and instantaneous screw, FIS)理论对其拓扑、运动学建模进行研究。根据FIS理论中的微分映射关系,在统一的数学框架下建立Exechon并联机器人的拓扑模型和速度模型,得到其速度和力雅克比矩阵。在此基础上,以可解析分析机构运动奇异性的虚功率传递率作为运动学性能指标,来有效评价Exechon并联机器人的运动/力传递性能。给定一组Exechon并联机器人模型的尺寸参数,借助MATLAB分析该机器人的局部虚功率传递率分布情况。研究结果为并联机构的性能分析与建模提供了参考,为Exechon并联机器人的优化设计奠定了理论基础。     

Workspace-constrained optimal design of three-degrees-of-freedom parallel manipulators with minimum parasitic motions by integrating interval analysis,region mapping and differential evolution

Three-degrees-of-freedom (3-DOF) parallel manipulators have many advantages such as simple structure, fewer actuators, and lower maintenance cost. However, parasitic motions may degrade the positioning accuracy of the platforms. In order to design 3-DOF parallel manipulators which can fulfil specified workspace requirements and exhibit minimum parasitic motions, the design problem is formulated into a minimax problem with workspace constraints. Then, an interval-based method is exploited to determine the feasible solution set which is derived as a union of many scattered parameter intervals (boxes). Then, a new approach based on region mapping and a powerful optimizer (namely differential evolution) is proposed to solve the optimization problem over scattered search regions. Benchmark tests show the superiority of the proposed approach. Then, the approach and interval analysis are used to solve a real-world design problem involving a 3-DOF manipulator. Numerical results demonstrate the effectiveness and advantages of the proposed design method.