一种给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法技术

本发明专利技术公开了一种给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，涉及平面机构设计领域，所述方法包括以下步骤：步骤1、建立数学模型；步骤2、生成机构构型；步骤3、运动学仿真及机构参数优化；步骤4、获得最终设计。与现有技术相比，本发明专利技术提供的技术方案具有以下优点：1、操作简单；2、效率高，设计仿真优化一体化避免分段进行导致的二次设计；3、设计能力强，对于复杂问题，凭借主观意识和经验往往无法找到较好的设计方案。

A creative design method of planar mechanism with given trajectory

The invention discloses a creative design method of planar mechanism with given motion track, which relates to the field of planar mechanism design, and the method comprises the following steps: Step 1, establishing mathematical model; step 2, generating mechanism configuration; step 3, kinematic simulation and mechanism parameter optimization; step 4, obtaining the final design. Compared with the prior art, the technical scheme provided by the invention has the following advantages: 1. Simple operation; 2. High efficiency, integration of design simulation and optimization to avoid secondary design caused by subsection; 3. Strong design ability, for complex problems, it is often unable to find a better design scheme by virtue of subjective consciousness and experience.

【技术实现步骤摘要】
一种给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法
本专利技术涉及平面机构设计领域，特别是涉及一种给定运动轨迹下的平面机构设计方法。
技术介绍
轨迹综合是最早解决机构轨迹拟合的方法之一。其基本思路是对于给定机构，比如四连杆机构，计算出该机构不同参数下的运动轨迹(见参考文献：赵彦微,平面四杆机构轨迹综合方法及可视化表达[D],哈尔滨工业大学,2014)。该方法需要对比预定轨迹和所有已有轨迹，以找到最匹配的参数方案。轨迹综合通过不同的机构参数预先生成轨迹数据库，劳动量较大。同时，数据库中的特定轨迹往往无法满足实际工程中运动轨迹复杂度和多样性等需求。目前对于已有构型的轨迹规划问题，通常采用优化结构参数来拟合轨迹。该方法相对轨迹综合有更大的适应性，可对任意构型进行轨迹规划。规划过程中需要人为选择优化参数，并采用遗传算法，粒子群算法等优化算法来计算求解(见参考文献：JINMinghe,etal,ResearchonMulti-ObjectiveComprehensiveTrajectoryPlanningofSpaceManipulator[J],MachineryandElectronics,2018,36(7):34-42和黄裘俊，张凯等，基于改进粒子群算法的取件机械手轨迹综合优化设计[J],东北大学学报,2018,39(11):1636-1641)。对于已有构型的轨迹规划问题，通过优化算法可以保证准确性。但是需要工程师根据轨迹，人为预先设计出机构构型。这个过程不仅需要工程师有较多的设计经验，而且对于复杂轨迹，需要工程师设计与仿真的交替进行以确保轨迹趋势的准确性，设计周期较长。在创成式机构设计方面，柔顺机构和多体刚性机构的设计方法也相继提出(见参考文献：OleSigmund,OntheDesignofCompliantMechanismsUsingTopologyOptimization,JournalofStructuralMechanics,25:4,493-52和HaoWang,WeidongYu,GenliangChe,Anapproachoftopologyoptimizationofmulti-rigid-bodymechanism,Computer-AidedDesign,2017,84:39-55)。目前主要关注的是机构在给定输入下的最优化输出。输出通常为力、力矩或者位移，而对于给定运动轨迹的创成式设计关注较少。因此，本领域的技术人员致力于开发一种设计仿真优化一体化方案，基于现有的人为经验的机构设计方法，将构型设计问题转化为计算机语言，所有设计工作可由计算机自动完成，减少劳动量以及人为设计引起的误差，以预定轨迹作为优化对象，提出一种新的创成式平面机构设计方法，从而解决了人为经验的机构设计方法存在的问题和现有的机构拓扑优化方法无法对轨迹进行拟合的问题。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何实现将构型设计问题转化为计算机语言，实现依靠计算机自动完成机构设计，以及提出新的创成式平面机构设计方法实现对轨迹的拟合。为实现上述目的，本专利技术提供了一种给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、建立数学模型，包括：根据所述给定运动轨迹，生成工作空间，所述工作空间作为运动副的设计域；根据部分已有机构构型的部件及连接类型，求得所需的所述运动副的数量和所述部件的数量；通过对所述运动副进行编号，构造机构构型矩阵；步骤2、生成机构构型，包括：根据所述步骤1中的所述机构构型矩阵，创建新的所述部件，连接所述所有运动副，并生成一个或多个初始机构构型；得到与所有所述初始机构构型所对应的机构构型矩阵；步骤3、运动学仿真及机构参数优化，包括：通过建立优化问题和最优化方法，得到所述初始机构构型的所述运动副的位置和目标值；步骤4、获得最终设计，包括：选择所述步骤3中的所述目标值最小的方案作为最终设计方案。进一步地，所述步骤1中的所述运动副的数量与所述部件的数量之间的关系为：N＝(2×PL+1)/3其中，N为所述部件的数量，PL为所述运动副的数量。进一步地，根据所述运动副的数量与所述部件的数量之间的所述关系，先选择最少的所述运动副和所述部件的数量，再增加所述运动副和所述部件的数量。进一步地，所述步骤1中所述机构构型矩阵的构造方法为：当i和j不相等时，Aij＝1表示所述两个运动副有部件相连，Aij＝0表示所述两个运动副没有部件相连；当i和j相等时，Aij＝1表示所述两个运动副与地面固定，Aij＝0表示所述两个运动副不与地面固定；其中，i代表所述运动副i，j代表所述运动副j；Aij表示所述运动副i和所述运动副j间的连接关系。进一步地，所述步骤2中还包括以下步骤：步骤2.1、根据所述步骤1中的所述运动副的数量和所述部件的数量，计算未限制自由度数；步骤2.2、根据所述步骤1中的所述机构构型矩阵，创建新的所述部件，连接所述所有运动副，生成一个或多个所述初始机构构型；步骤2.3、对于所述步骤2.2中每一个所述初始机构构型，根据所述步骤2.1中得到的所述未限制自由度数，来限制所述初始机构构型的自由度；步骤2.4、重复所述步骤2.2和所述步骤2.3，直到得到与所有所述初始机构构型所对应的机构构型矩阵。进一步地，在所述步骤2.1中，所述未限制自由度数的计算公式为：D＝2×(PL-N)-g其中，D为所述未限制自由度数，N为所述部件的数量，PL为所述运动副的数量，g为给定所述运动副与地面固定的数量。进一步地，在所述步骤2.2中，所述初始机构构型需要满足：所述部件和所述部件之间不能发生干涉，也不能同时有三个所述运动副两两相连。进一步地，在所述步骤2.3中，通过两种方式限制所述初始机构构型的自由度；所述两种方式分别为固定所述运动副和固定所述部件，计算所述两种方式需要的次数为：D1＝NC-ND2＝D-D1。进一步地，所述步骤3中还包括以下步骤：步骤3.1、根据所述步骤1中的所述工作空间，建立坐标系，参数化所述初始机构构型的所述运动副的位置，建立对应的平面机构运动约束方程，计算得到所述初始机构构型的轨迹(见参考文献：ParvizE.Nikravesh,ComputerAidedAnalysisofMechanicalSystems[M],Prentice-Hall,EnglewoodCliffs,NewJersey,1988)：其中，q＝(x1,y1,φ1,……,xn,yn,φn)T；x1,y1,φ1,……,xn,yn,φn分别是n个所述部件的x和y方向的移动、自由度以及在平面内的转动自由度；Φr,Φt,Φg,Φrd分别是转动、移动、连接地面以及驱动的约束方程；Φ(q,t)＝0的解为所述初始机构构型的运动轨迹；步骤3.2、离散化所述初始机构构型的所述运动轨迹和预定轨迹，通过最小二乘法构造所述初始机构构型的所述运动轨迹和所述预定轨迹各轨迹点间的误差平方和，建立优化问题，所述优化问题可以表述为：s.t.Φ(q,t)＝0i＝0,1,LL,np其中,q为所述部件的自由度；np为离散曲线之后的样本数；θi为所述初始机构构型的轨迹；为所述预定轨迹；步骤3.3、通过最优化方法(见参考文献：JorgeA.C.,PeterEbe本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、建立数学模型，包括：根据所述给定运动轨迹，生成工作空间，所述工作空间作为运动副的设计域；根据部分已有机构构型的部件及连接类型，求得所需的所述运动副的数量和所述部件的数量；通过对所述运动副进行编号，构造机构构型矩阵；步骤2、生成机构构型，包括：根据所述步骤1中的所述机构构型矩阵，创建新的所述部件，连接所述所有运动副，并生成一个或多个初始机构构型；得到与所有所述初始机构构型所对应的机构构型矩阵；步骤3、运动学仿真及机构参数优化，包括：通过建立优化问题和最优化方法，得到所述初始机构构型的所述运动副的位置和目标值；步骤4、获得最终设计，包括：选择所述步骤3中的所述目标值最小的方案作为最终设计方案。

【技术特征摘要】
1.一种给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、建立数学模型，包括：根据所述给定运动轨迹，生成工作空间，所述工作空间作为运动副的设计域；根据部分已有机构构型的部件及连接类型，求得所需的所述运动副的数量和所述部件的数量；通过对所述运动副进行编号，构造机构构型矩阵；步骤2、生成机构构型，包括：根据所述步骤1中的所述机构构型矩阵，创建新的所述部件，连接所述所有运动副，并生成一个或多个初始机构构型；得到与所有所述初始机构构型所对应的机构构型矩阵；步骤3、运动学仿真及机构参数优化，包括：通过建立优化问题和最优化方法，得到所述初始机构构型的所述运动副的位置和目标值；步骤4、获得最终设计，包括：选择所述步骤3中的所述目标值最小的方案作为最终设计方案。2.如权利要求1所述的给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，其特征在于，所述步骤1中的所述运动副的数量与所述部件的数量之间的关系为：N＝(2×PL+1)/3其中，N为所述部件的数量，PL为所述运动副的数量。3.如权利要求2所述的给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，其特征在于，根据所述运动副的数量与所述部件的数量之间的所述关系，先选择最少的所述运动副和所述部件的数量，再增加所述运动副和所述部件的数量。4.如权利要求1所述的给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，其特征在于，所述步骤1中所述机构构型矩阵的构造方法为：当i和j不相等时，Aij＝1表示所述两个运动副有部件相连，Aij＝0表示所述两个运动副没有部件相连；当i和j相等时，Aij＝1表示所述两个运动副与地面固定，Aij＝0表示所述两个运动副不与地面固定；其中，i代表所述运动副i，j代表所述运动副j；Aij表示所述运动副i和所述运动副j间的连接关系。5.如权利要求1所述的给定运动轨迹的平面机构创成式设计方法，其特征在于，所述步骤2中还包括以下步骤：步骤2.1、根据所述步骤1中的所述运动副的数量和所述部件的数量，计算未限制自由度数；步骤2.2、根据所述步骤1中的所述机构构型矩阵，创建新的所述部件，连接所述所有运动副，生成一个或多个所述初始机构构型；步骤2.3、对于所述步骤2.2中每一个所述初始机构构型，根据所述步骤2.1中得到的所述未限制自由度数，来限制所述初始机构构型的自由度；步骤2.4、重复所述步骤2.2和所述步骤2.3，直到得到与所有所述初始机构构型所对应的机构构型矩阵。6.如权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明东，宋烨麟，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31