[發明專利]六自由度并聯平臺結構參數優化方法

有效

• 申請號: 201710383403.2
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107336231B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 張帥帥;劉明;唐興鵬;樊銘渠;朱志強;李貽斌
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 濟南日新專利代理事務所 37224
• 代理人: 王書剛

1.一種六自由度并聯平臺結構參數優化方法，其特征是，包括以下步驟：

(1)確定六自由度并聯平臺動平臺工作空間大小；

(2)確定六自由度并聯平臺靈巧度；

(3)構建由六自由度并聯平臺工作空間大小及靈巧度評價函數組成的結構參數優化目標函數；使并聯平臺能夠獲得最大的工作空間和最優的靈巧度指標；

(4)確定六自由度并聯平臺結構參數優化的約束條件，包括奇異性約束、運動副鉸鏈轉角轉動范圍限制、變長桿件之間的干涉以及變長桿件行程的約束；

(5)建立面向結構參數優化的多目標-多約束算法；

(6)設計基于蒙特卡洛方法結構參數的優化過程，并由此得到六自由度并聯平臺的結構參數優化方法。

2.根據權利要求1所述的六自由度并聯平臺結構參數優化方法，其特征是，所述步驟(1)確定六自由度并聯平臺動平臺工作空間大小的具體過程為：

并聯平臺的工作空間坐標系中，縱坐標為俯仰角α，底平面由橫滾角β和偏轉角γ構成；

首先，根據平臺的結構初步估計工作空間中俯仰角α的運動范圍，作為俯仰角α的搜索范圍；然后用n個平行于底平面的平面將俯仰角α的運動范圍平分；最后，在每個平行于底平面的平面內分別搜索滿足奇異性約束、運動副鉸鏈轉角轉動范圍限制、變長桿件的干涉約束和變長桿件行程約束的點，所得到的點的集合的邊界就是當并聯平臺的處于當前俯仰角時并聯平臺的運動范圍；

假設每個位于運動范圍內的點所占用區域的面積為單位1；分別計算每個平行于底面的平面上位于工作空間范圍內的單位面積的個數，即為并聯平臺在這個俯仰角時運動范圍的面積S_i，i＝1，2，......n，n≥1；

將所有俯仰角平面中包含于運動范圍內的單位面積相加，即并聯平臺整個工作空間的面積S：

上式即為并聯平臺工作空間大小的定量分析結果。

3.根據權利要求1所述的六自由度并聯平臺結構參數優化方法，其特征是，所述步驟(2)確定六自由度并聯平臺靈巧度的過程是；

靈巧度用來衡量并聯平臺處于某一位姿下的可控性，其值用雅克比矩陣的條件數來表示；矩陣的條件數等于矩陣的范數與矩陣逆的范數的乘積，采用Frobenius范數；并聯平臺雅克比矩陣的條件數為：

其中，tr()為矩陣的跡，C為雅克比矩陣的條件數，并作為衡量并聯平臺靈巧度的指標，該值越小，并聯平臺的靈巧度越高，控制性能越好；J為并聯平臺的雅克比，力雅克比J^T為并聯平臺雅克比的轉置；

并聯平臺的平均靈巧度是指其在工作空間內所有位姿下的靈巧度平均值，如下式所示：

其中，N為并聯平臺工作空間內包含點的總數目，C_aver為平均靈巧度指標，C_i為并聯平臺處于工作空間內某一位姿時的靈巧度指標。

4.根據權利要求1所述的六自由度并聯平臺結構參數優化方法，其特征是，所述步驟(3)中構建結構參數優化的目標函數的過程是：

對平臺工作空間指標和靈巧度指標進行歸一化處理，如下式：

其中，C₀₁和V₀₁分別為并聯平臺靈巧度和工作空間的歸一化指標，取值范圍均為[0，1]；C_avermax為所有靈巧度指標的最大值，C_avermin為所有靈巧度指標的最小值，V_max為工作空間指標的最大值，V_min為工作空間指標的最小值；C_aver和V分別為并聯平臺的平均靈巧度和工作空間指標；

對已歸一化的指標C₀₁和V₀₁建立目標函數，如下式：

ε＝k_cC₀₁+k_vV₀₁，

其中，k_c為靈巧度加權因子，0＜k_c＜1，k_v為工作空間加權因子，0＜k_v＜1，且k_c+k_v＝1；ε為結構參數選型指標，取值范圍為[0，1]，且該值越接近1，并聯平臺綜合性能越好。