基于遗传算法的Stewart型平台结构参数优化设计

机械的结构参数对其运动性能有十分重要的影响。首先论述了选择Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵的条件数作为Ｓｔｅｗａｒｔ型平台优化池数的合理性,并以Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵的条件数为优化设计目标函数,应用遗传算法优化设计了大射电望远镜Ｓｔｅｗａｒｔ型精调平台的结构参数,为满足高精度的馈源轨迹跟踪打下了坚实的基础。     

大射电望远镜精调稳定平台结构设计及动力分析

设计了一种大型 Stewart型平台用于大射电望远镜 (L T)二级精调 ,通过坐标变换 ,推导出其运动控制的数学模型 ,并利用 Jacobian矩阵 ,进行了动力学分析 ,给出了其运动精度分析结果 ,证明其应用到 L T工程中是切实可行的     

基于Jacobian矩阵的6-6 Stewart平台结构校准

针对简化误差源模型（含42个误差量），建立了基于Jacobian矩阵的6－6Stewart平台误差模型，并依据该模型，提出了一种6－6Stewart平台外部校准算法，仿真研究表明，该算法具有理论上的正确性和工程上的可行性，同时指出了该算法的关键是以系数矩阵A的条件数局部最优为目标的测量矩阵的优化问题。     

基于结构耦合矩阵的主动再制造优化设计

在再制造设计阶段,由于零件结构间的相互耦合,片面优化局部结构而导致零件整体性能劣化的现象时有发生。为解决这一问题,提出结构耦合矩阵的概念,建立了结构耦合函数矩阵来表征结构强度与结构特征参数的映射关系,并建立了结构影响因子矩阵来反映结构强度受结构特征参数的影响程度。给出基于结构耦合矩阵的再制造优化设计方法,以零件整体强度优化为目标进行参数优化设计,实现了零件整体性能提升。以6L240型号柴油机曲轴为例,验证了该方法的有效性和可行性。     

3SPS+1PS髋关节并联仿生试验系统工作空间优化

为使人工髋关节试验系统具有仿生模拟人体髋关节运动特性的能力,不但要使其能模拟髋关节各种运动形式,而且其运动输出空间应完全覆盖实际人体髋关节的运动范围,这也使得对其运动空间进行深入分析成为必要。针对作为髋关节并联仿生试验系统核心运动模块的3SPS+1PS并联机构,利用四元数法建立其逆/正解运动学模型,基于动平台三点构造法构建了3SPS+1PS并联机构的量纲统一速度Jacobian矩阵,分别比较了该矩阵条件数在不同运动空间及结构参数下的取值变化情况,得到条件数平均值与机构定、动平台上球副中心连线长度比值、球副许用转角及动平台中心位置高度等参数之间关系,优化了机构结构参数,进而得到了运动性能良好的运动空间区域。髋关节并联仿生试验系统运动空间的研究对其运动路径规划、动态特性分析及控制系统设计具有重要的意义。     

Stewart并联机构运动Jacobian矩阵表达形式的多样性

现有文献中Jacobian矩阵存在多种表达形式,不利于指标值的统一评估和对比。为此,通过剖析Stewart并联机构运动Jacobian矩阵的机理,找到引起上述现象的根本原因,用欧拉角及其导数描述动平台的转动速度并运用位置方程求导法推导出第1类形式的Jacobian矩阵;用角速度矢量描述动平台的转动速度,并运用环路方程法推导出第2类形式的Jacobian矩阵;将动平台上与静坐标系原点重合的点选为线速度基点,并运用环路方程法推导出第3类形式的Jacobian矩阵。运用角速度加法公式和线速度基点法,构建不同形式Jacobian矩阵之间的映射;运用矩阵理论推导各Jacobian矩阵行列式之间的关联。通过数值算例验证上述结论的正确性,并绘制机构的奇异曲面。所得结论为并联机构的型综合、型优化提供了理论指导。     

基于雅可比矩阵条件数的并联机构参数优化

提出一种基于并联机构雅可比矩阵条件数全域参数优化方法。以并联机构6-pss为研究对象,根据机构的结构形式推导出机构的速度数学模型、建立雅可比矩阵,并用范数的形式建立雅可比矩阵条件数的数学模型;对并联机构进行参数归一化处理后,以条件数的平均值与波动值的综合值作为目标建立目标函数、给出约束条件,最后通过数值计算得到机构雅可比矩阵条件数的平均值、波动值曲线和优化目标函数值的曲线图,优化出最佳参数值,为该机构尺寸优化提供重要依据。     

大型光学载荷次镜调整机构优化设计及误差分配

设计了一种用于大型光学载荷次镜在轨位姿精密调整的Hexapod型平台机构,并对其进行构型参数优化以及各支撑杆和上下铰点误差限的最优分配。建立了Hexapod平台机构运动学模型和静柔度模型,分析了主要结构参数对机构性能的影响。按照次镜精调机构性能要求,提出了定位精度指标和抗变形指标,建立了以构型参数为变量的优化目标函数,并利用遗传算法对两个单目标函数进行优化。利用加权分配法构造统一约束目标函数,利用遗传算法对其进行多目标优化。然后,建立非线性最优误差分配模型,对各支撑杆和上下铰点进行误差分配。最后,通过对原理样机性能指标的测试验证了上述研究方法的效果。研究结果表明:优化前后动平台定位精度提高了8.3%,抗变形能力提高了62.5%,铰点误差限由2.7μm提高到6.3μm,支撑杆误差限由1.3μm提高到3.2μm。另外,实验测得Z轴相对定位精度为0.6%,静刚度达到41.14N/μm。本研究提高了次镜精调机构的定位精度和静载抗变形能力,有助于缩短设计、加工周期,节约设计、加工成本。     

3T-1R并联平台的工作空间分析与优化设计

研究一种新型四自由度并联机器人机构的工作空间和优化设计。在三平移一转动并联平台位置反解模型基础上，分析了反解模型中约束动平台运动的因素。运用蒙特卡罗方法思想及三维网格搜索法得到机构的工作空间，分析了工作空间的几何性质。探讨了机构的全域条件数，并以它作为优化设计的目标函数。对正交试验设计法和遗传算法的寻优算法进行分析比较，提出一种设计变量多且适应度函数难求的正交-遗传试验法的优化方法，将这种方法应用于机构的优化设计中，获得优化工作空间性能的结构参数方案。实例证明这种优化方法行之有效。     

磁悬浮推力轴承结构参数优化设计

建立了磁悬浮推力轴承结构参数优化设计数学模型。在保证最大承载力条件下,以定子铁芯和电磁线圈总质量最小为目标函数,温升及饱和磁感应强度为约束条件,确定推力轴承结构参数。利用M atlab非线性有约束多元函数fm incon进行优化计算,获得合理结构尺寸。     

基于反螺旋理论的3-RSR并联机器人雅可比矩阵研究

运用反螺旋理论对3-RSR三自由度并联机器人的雅可比矩阵进行了研究。采用简单的方法,找到支链关节螺旋的反螺旋,从而得到了约束雅可比矩阵、驱动雅可比矩阵和完全雅可比矩阵,不但导出动平台的运动速度到驱动关节速度之间的映射,而且易于进行全面的奇异位形分析;3-RSR并联机器人无约束奇异,当支链的驱动旋转副轴线、被动旋转副轴线和球铰共面时,产生结构奇异。该文方法亦可用于其他三自由度并联机器人的雅可比矩阵研究。     

基于并联机构的六分量并联天平及其力雅可比矩阵研究

为了由感测力导出被测模型受力 ,必须研究基于Stewart平台六维力传感器的力变换关系。本文将并联机构引入风洞天平 ,提出了并联天平的概念 ,应用并联机构学理论 ,对并联天平实现的关键理论问题即天平感测力与被测模型上所受的六维力的转化关系进行了研究 ,得到了二者转化的力雅可比矩阵 ,同时推导出基于 5个基本结构参数的雅可比矩阵条件数 ,并用数值算例加以验证。为该类天平的优化和设计奠定了理论基础     

交叉杆并联机床结构参数优化

增大工作空间和提高灵巧度是并联机床设计的一项重要任务。依据运动学反解,采用三维搜索的方法得到了带约束条件的交叉杆并联机床的工作空间;利用自然坐标法推导了该机床的新型雅可比矩阵;基于工作空间和新型雅可比矩阵获得了交叉杆并联机床的灵巧度分布。在此基础上分析了机床各结构参数对工作空间和全域灵巧度指数的影响规律,然后用最小二乘法进行曲线拟合并以工作空间指数和全域灵巧度指数为优化目标对该机床进行优化,与优化前相比,两项指标分别增大了0.40倍和0.26倍,达到了机构优化的目的。     

基于改进蚁群算法的Stewart平台奇异性分析

针对Stewart平台的奇异性分析,以雅可比矩阵行列式为目标函数,将奇异性分析问题转化为在并联机构可达工作空间内的连续优化问题。通过对基本蚁群算法中的全局搜索、局部搜索以及信息素更新规则等环节进行有效的调整,构成了更加适用于连续优化问题求解的改进蚁群算法。采用该算法进行了Stewart平台的奇异性分析,结果证实了改进蚁群算法具有较好的全局优化能力和较快的收敛速度,从而为解决并联机构奇异性分析这一类问题提供了有价值的参考。     

3-RSR并联机器人静力学和刚度的研究

运用螺旋理论求得3-RSR并联机器人的雅可比矩阵,利用雅可比矩阵建立了动平台所受外力和外力矩到驱动关节的映射关系,使静力学计算变得十分简单,还可以求得动平台的刚度矩阵,并为动力学研究打下基础。     

Analysis and Application of the Singularity Locus of the Stewart Platform

The direct use of the determinant of Jacobian matrix being equal to zero for the singularity analysis is generally difficult which is due to complexity of the Jacobian matrix of 6-DOF parallel manipulators,especially for Stewart platform.Recently,several scholars make their great contribution to the effective solution of this problem,but neither of them find the right answer.This paper gives a brief analysis of the kinematics of the Stewart platform and derives the Jacobian matrices of the system through the velocity equation.On the basis of the traditional classification of singularities,the second type of singularity is investigated.An assumption of any three of the six variables of the Stewart platform as constant is made,then the analytical expression of singularity locus equation of the second type singularity which contains another three pose variables is obtained.The singularity locus is represented in the three-dimensional space through the derived equation.The correctness and validity of the proposed method are verified through examples.Finally,the singularity analysis of an electric Stewart platform in its desired workspace and reachable workspace is implemented.Thus,one can easily identify whether singularity exists in a given workspace of a Stewart platform and determine whether the existed singularity can be avoided through the proposed method.The proposed method also provides theoretical principle for the design and application of the Stewart platform and has great significance for the trajectory planning and control.     

含正则支链的并联机器人雅可比简化分析方法

雅可比矩阵对并联机器人的速度、精度、刚度等性能分析有重要意义。通常雅可比分析需要计算与驱动关节运动螺旋不互易而与支链其他运动螺旋均互易的力螺旋,分析过程复杂,计算量大。为此,针对一类常见的特殊支链结构,提出正则支链的概念,研究了正则支链的结构特征。分析了转动副和移动副的做功驱动力螺旋,提出含正则支链的并联机器人雅可比简化分析方法,克服了现有方法中计算驱动关节产生的支链约束螺旋的复杂过程。这种方法不必计算支链约束螺旋就能获得并联机器人的部分雅可比矩阵,进而结合支链约束螺旋获得并联机器人的整体雅可比矩阵,实现驱动关节与动平台之间运动和力的双向映射。方法不仅适用于常见的6自由度并联机器人,也适用于具有正则支链的少自由度并联机器人。     

基于任务空间的 2P3RR 并联机构尺度综合

结合一种五坐标混联工作台的开发,对其少自由度并联机构部分进行了深入的研究。给出了该并联机构的运动学位置正、逆解,求解了雅可比矩阵,分析了工作空间,基于任务空间探讨了该并联机构主要结构参数之间的相互关系,采用雅可比矩阵条件数的倒数的全域均值作为该并联机构灵巧度评价指标,对其进行灵巧性分析,给出了混联工作台开发实例并进行了设计计算,为混联运动平台的设计开发奠定了理论基础。     

冗余度机器人雅可比矩阵求导方法及应用

雅可比矩阵导数求解是进行冗余度机器人动力学优化分析的基础。基于旋量理论,提出了求解雅可比矩阵导数的改进方法。该方法利用运动旋量指数积易于求导的特点,避免了直接代入关节变量符号计算雅可比矩阵并依次求解关节变量偏导数的繁琐过程,在保持计算准确性的同时,极大地简化了雅可比矩阵求导运算。通过9自由度冗余度机器人优化关节力矩的拉抽屉操作实验,验证了算法的正确性和实用性。     

无奇异完全各向同性2T1R型并联机构的结构综合

提出了无奇异各向同性三自由度2T1R空间并联机构结构综合的一种系统方法。得到了24种新型无耦合并联机构方案和24种完全各向同性并联机构方案。在整个工作空间内,完全各向同性并联机构的主动副速度与动平台速度之间的线性映射雅可比矩阵为3×3阶单位阵,因此机构不存在奇异现象。由于无耦合并联机构和完全各向同性机构实现了主驱动器与动平台速度的一一对应关系,从而解决了并联机构控制难的问题。给出了完全各向同性2T1R并联机构支路的构造设计原则。