基于主成分分析法和核主成分分析法的机器人全域性能综合评价

在机器人运动学和动力学性能评价中, 表示机器人运动学和动力学性能的指标众多, 全域性能指标是其中一项重要的评价指标, 而全域性能指标又包括:线速度全域性能指标、角速度全域性能指标等指标.不同指标间往往存在不同程度的相关性, 其中有些相关性非常显著, 这使它们提供的信息有可能发生重叠.引入统计学原理, 依据线性降维与非线性降维原则, 应用主成分分析法 (principal component analysis, PCA) 和核主成分分析法 (kernel principal component analysis, KPCA) 对不同尺度的PUMA560机器人的全域性能进行综合评价, 从而选择综合全域性能最优的机器人.计算结果表明:KPCA方法较PCA方法有更好的降维效果, 能够更有效地处理多个单一性指标间的非线性关系, 提供更多的综合全域性能评价信息, 可为建立机器人综合全域性能与其尺度之间的数值计算关系, 为基于综合全域性能指标最佳尺度选取的研究提供科学的参考依据.     

串联机器人机构分析和综合同步方法的应用

为揭示机器人机构综合性能与机构类型和尺寸之间的映射规律,基于机器人机构单一性能指标的相关性和多样性,引入统计学原理,依据线性降维与非线性降维原则,应用主成分分析法(principal component analysis,PCA)和核主成分分析法(kernel principal component analysis,KPCA),对典型串联机器人——不同构型和不同尺度的平面串联机械臂进行综合性能评价,从而选择综合性能最优的机构构型和尺度.计算结果表明:KPCA方法较PCA方法有更好的降维效果,更能有效地处理多个单一性指标间的非线性关系,提供更多的综合性能评价信息,可为建立机器人机构综合性能与其机构类型和尺寸之间的数值计算关系,并进行机构构型和尺度同步综合提供科学的参考依据.     

交叉型平面二自由度移动并联机构运动学性能分析

为研究一种新型平面二自由度移动并联机构的运动学性能,建立其运动学模型,推导出位置正/逆解的解析表达式,定义运动学性能指标,分析不同构型的性能指标表达式,探讨性能指标与机构尺寸之间的关系,并绘制相关的性能图谱.得到该并联机构具有较大有效工作空间与机架尺寸比值、导轨长度短等优点.这些性能图谱为该并联机构的优化提供了参考.     

类SCARA机器人多目标性能优化

以类SCARA硅片搬运机器人为研究对象,在机器人运动学和动力学的基础上,分析其工作空间、全域条件数、固有频率、误差影响系数各项性能,并针对这4项性能指标进行多目标优化.将机器人机构杆长参数作为设计变量,以工作空间等4项指标作为优化目标,给出杆长约束和相对工作空间系数约束,利用基于BP神经网络算法的多目标遗传算法进行优化计算,采用遗传算法优化神经网络的结构,来提高BP神经网络的预测精度,减少运算时间,最终得到1组最优杆长.采用优化后的机器人机构杆长可以使机器人各项性能指标有较大提高.     

3-RSS/S踝关节康复并联机器人的速度各向同性分析

机器人的速度性能与其机构尺寸参数之间的关系是机器人机构设计时应考虑的重要问题.以3-RSS/S踝关节康复并联机器人为研究对象,根据空间模型和各向同性度探讨了其速度性能和机构尺寸之间的关系,并绘制了相应的性能图谱,这些图谱可作为机构尺寸优化的依据.     

基于PCA-PSO-SVM的沥青路面使用性能评价

为合理地对沥青路面使用性能进行综合评价,针对传统路面使用性能评价方法主观性强以及已有模型存在缺陷等问题,提出了基于主成分分析-粒子群优化-支持向量机（PCAPSO-SVM）的评价模型。通过主成分分析（PCA）对评价指标进行降维处理,形成彼此相互独立的主成分,利用粒子群算法（PSO）全局搜索优势对支持向量机（SVM）的关键参数——惩罚系数C和核函数参数g进行优化,以提高模型精度。最后,以西南地区某高速公路170个养护路段为例,分别使用PCA-PSO-SVM模型和《公路技术状况评定标准》对路面性能进行综合评价。结果表明,PCA-PSO-SVM模型克服了依靠经验确定参数的缺点,识别精度提高,评价结果更符合实际路况。     

4-U■S/U■U5自由度并联机构尺度综合方法

为给工程应用提供理论支持,研究了一种带恰约束主动支链的5自由度并联机构(拓扑结构为4-U■S/U■U)的尺度综合问题.首先构造了该机构运动学模型,进而提出一种以实现给定任务工作空间为目标,并使其操作性能最优的尺度综合方法.首先根据该机构的结构特点,将其独立设计变量分为两类:结构夹角和几何参数,然后采用单调性分析方法考察尺度参数对操作性能的影响,并根据影响规律得到机构结构夹角最优解,进而构造一种均衡操作性能和约束条件间矛盾的综合优化指标,将几何参数综合问题归结为一类双参数优化问题,得出最优几何参数.实例表明,该方法行之有效,且对于类似并联机构的运动学设计理论有一定指导意义.     

基于灵巧度的手术机械臂尺寸与结构优化

为了通过优化机械臂的尺寸来提高其运动性能,提出了一种基于运动学综合性能指标的机构尺寸和结构的优化方法。通过分析手术机械臂运动学雅可比矩阵奇异值,建立了全域空间条件数均值与全域空间条件数波动值的综合灵巧度指标,对远心点调整机构的尺寸进行了优化。基于对关节结构的有限元分析,优化其结构,实现了机械臂的轻量化设计。优化结果显示:优化后机械臂远心点的工作空间仍满足手术操作的需求,综合灵巧度指标提高了14.8%,被动关节质量减少了21.9%,一阶固有频率和最大应力指标也都有所提高。优化结果很好地满足了微创手术对机械臂灵活性及轻量化的要求。     

3-RSS/S并联机构位姿误差的数值分析方法

位姿精度是机构的重要性能指标,也是并联机构结构分析的难点之一。针对在3-RSS/S并联机构误差分析中采用全微分方法忽略高次项会使精度下降的问题,提出采用数值分析的方法来研究位姿误差:基于逆向运动学模型,通过不含误差的机构尺寸参数进行逆解计算,得出机构的输入参数;基于正向非线性运动学模型,以原姿态角作为迭代初值,计算出包含误差时的动平台末端姿态,进而计算出位姿误差;根据设定的误差源分布规律,基于蒙特卡洛方法随机生成机构尺寸参数的误差,计算得到位姿误差的分布规律;遍历整个工作空间,得到位姿误差在整个工作空间中的数字特征值与分布规律。通过三维建模方法验证了数值计算的正确性,通过算例验证了该方法的可行性与有效性,为3-RSS/S并联机构的精度研究奠定了基础。     

驱动冗余重型并联机构的动力学性能

针对重型并联机构构型不足的问题,提出了一种适合重载加工的2自由度龙门式驱动冗余并联机构。首先,在运动学分析的基础上,利用虚功原理建立了系统的动力学模型。其次,以动力学模型中驱动力的范数最小为目标,对驱动力进行优化,并给出了一种加速度性能评价指标。最后,基于驱动力优化方法以及加速性能评价指标分析比较了在相同运动条件下该冗余重型并联机构与其对应的非冗余并联机构的动力学性能。本文研究结果对其他重型关联机构的构型设计以及加速度评价具有重要的参考价值。     

含球面副间隙的空间并联机构动态特性

为了分析含球面副间隙的5-PSS/UPU并联机构的动态特性,建立含多个球面副间隙的空间并联机构的刚体动力学模型. 基于“接触-分离”二状态模型建立含球面副间隙的运动学模型;基于改进的接触模型和修正的Coulomb摩擦模型建立运动副元素之间的法向与切向接触力模型,进一步将接触力转化到运动副元素对应的部件质心;采用牛顿-欧拉法并结合拉格朗日乘子建立含间隙空间并联机构的动力学模型,利用数值仿真分析其动态特性,计算得到间隙分别为0.05、0.10、0.20、0.40 mm时的动平台角加速度均方根误差（RMSE）指标,分别为40.046、65.385、98.489、145.715 rad/s². 结果表明,在存在多个球面副间隙的情况下,当间隙增加时,空间并联机构的动态性能严重退化.     

基于多峰优化Kriging模型与距离相关系数的高速列车动力学参数多输出灵敏度分析

高速列车动力学参数较多,其动力学性能的评价指标有多个。综合考虑这些动力学指标,进行参数灵敏度分析,对高速列车动力学参数的恰当匹配具有重要意义。已有单输出灵敏度分析技术难以准确度量参数对车辆动力学综合性能影响的大小。为避免已有方法的缺陷,本文引入了一种新的基于距离相关系数的多输出灵敏度分析技术。该方法通过求解单个输入与多个输出变量之间的距离相关系数,从而实现多输出全局灵敏度分析的目的。为提高灵敏度分析的效率,本文建立了多个动力学指标与输入参数的Kriging模型。为提高近似模型的精度,本文引入了一种新颖的多峰优化算法对Kriging模型的超参数进行全局寻优。与传统单目标智能优化算法不同,该优化算法通过引入种群差异指标,将单目标优化问题转化为双目标优化问题,从而增加了子代种群的多样性,避免了传统优化算法易于陷入局部最优解的问题。基于所提方法,本文以CRH动车组动车为例,研究了多个动力学指标的多输出全局灵敏度。结果表明：所提的超参数优化方法由于增强了种群多样性,从而对Kriging模型精度和稳定性提升效果明显;基于距离相关系数的灵敏度分析方法能够更加合理地识别出对车辆动力学综合性能影响较大的参数、排除几乎没有影响的参数。     

一种高维多模态优化的量子粒子群优化算法

为求解实际工程中的高维多模态优化问题,提出了基于动态邻域的多策略进化的量子粒子群优化算法(QPSO).针对QPSO算法存在的粒子"早熟"问题,首先定义了一种动态邻域选择机制以保持种群的"活跃性";然后结合动态邻域机制,定义了三个不同策略的局部吸引子更新方程以保持种群进化的"多样性".为了防止算法的进化方向不发散,对收敛到全局最优解的局部吸引子更新策略赋予了较大权重;最后为了拓展最优解空间引入了狼群优化算法中的综合评价方法.通过对不同类型的高维多模态基准测试函数的仿真实验结果表明:相比于其余四种优化算法,本文提出的优化算法在收敛精度和稳定性方面具有明显优势,并且随着测试维度的增加,这种优势更加凸显,展现出了较好的解决高维多模态优化问题的性能.文中引入的综合评价方法在所有的测试函数中均具有较高的生效次数,综合评价生效意味着为下一次的进化找到一个更加有利的进化方向,这样能够减少算法找到最优解的次数,也能进一步提升算法的收敛精度.     

空间3-UPU／UPU机构的刚度分析

以3-UPU／UPU并联机构为例,进行机构分析及运动学分析,得到机构的雅克比矩阵;在静平衡条件下计算出并联机构的局部刚度矩阵和全局刚度矩阵;利用数学软件MATLAB绘制3-UPU／UPU并联机构的局部刚度曲线以及全局刚度曲线,分析上下平面外接圆半径的变化对局部刚度和全局刚度的影响．结果表明局部刚度矩阵以及全局刚度取决于机构的位姿,对于给定的位姿可求机构局部刚度及全局刚度的变化范围;机构的上下表面半径的变化情况影响着局部刚度和全局刚度,因此可以适当地增大上下表面半径来获得较高的局部刚度以及全局刚度。     

Dimension collaborative optimization design of a multi-closed-loop space deployable mechanism

This paper presents a new multi-closed-loop space deployable mechanism. The position analysis of the deployable mechanism has been carried out based on the loop constraint equations. Then, under the premise of the given aperture diameter and the range of opening angles, the mathematical model of dimension optimization of the deployable mechanism is established, in which the design variables are bar lengths, and the objective functions include maximizing the expansion ratio and the minimal transmission angle, and minimizing the driven stroke. By the collaborative optimization method, the optimization problem is divided into two levels: a system level which is used to coordinate the inconsistency of the coupling variables in subsystems, and three parallel subsystems which are used to minimize the difference between the optimization scheme of subsystems and the goal of the system level. The dimension parameters of deployable mechanisms can be optimized through the established collaborative optimization model. Simulation results show that the deployment process is smooth without the dead points when the expansion ratio, the driven stroke and the minimum transmission angle are 15∶1, 198mm and 22°, respectively.     

Dynamic modeling and analysis of 3-RRS parallel manipulator with flexible links

The dynamic modeling and solution of the 3-(R)RS spatial parallel manipulators with flexible links were investigated. Firstly, a new model of spatial flexible beam element was proposed, and the dynamic equations of elements and branches of the parallel manipulator were derived. Secondly, according to the kinematic coupling relationship between the moving platform and flexible links, the kinematic constraints of the flexible parallel manipulator were proposed. Thirdly, using the kinematic constraint equations and dynamic model of the moving platform, the overall system dynamic equations of the parallel manipulator were obtained by assembling the dynamic equations of branches. Furthermore, a few commonly used effective solutions of second-order differential equation system with variable coefficients were discussed. Newmark numerical method was used to solve the dynamic equations of the flexible parallel manipulator. Finally, the dynamic responses of the moving platform and driving torques of the 3-RRS parallel mechanism with flexible links were analyzed through numerical simulation. The results provide important information for analysis of dynamic performance, dynamics optimization design, dynamic simulation and control of the 3-RRS flexible parallel manipulator.     

6-3-3并联机构结构设计与虚拟样机研究

基于静力学模型,结合机械加工工艺性,对6-3-3并联机构各零部件进行了结构设计.在Pro/E软件中建立了该机构各零件数字化模型并提取了几何和质量参数信息.最后给出了该机构总装配数字化模型。为该机构物理样机的制作与测试提供了技术基础.     

空间三自由度柔顺并联机构设计与仿真分析

刚体替换法是柔顺机构设计重要方法之一。基于刚体替换理论,选取合适的空间机构构型,选用合适的柔性铰链替换刚性运动副,依据KutzbachGrubler理论计算空间并联机构自由度,进而设计了一种三自由度柔顺并联机构微动平台。利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对柔性支链和微动平台进行位移和应力分析,并得到动平台输出端节点位移数据,验证了三自由度柔顺并联机构的运动精度满足设计要求。通过分析获得的参数为多自由度柔顺并联机构优化提供了参考,同时可为多自由度柔顺并联机构设计提供借鉴。     

日常户外休闲体育空间评价体系的构建与应用

为构建适合中国的日常户外休闲体育空间评价体系,从分析国外日常户外休闲体育空间评价体系入手,以哈尔滨为例,通过焦点小组讨论建立初始指标集并设计调查问卷,用主成分分析法对初始指标集进行分类和修正,在此基础上确定各指标权重计算方法、计算权重并给出评价公式,从而构建了日常户外休闲体育空间评价体系,该评价体系包括5个一级指标和43个二级指标.结果表明,通过对8处目标空间的试评结果分析并给出设计对策,验证了该评价体系具有较好的可操作性.