消防机器人多指标结构优化方法技术

本发明专利技术涉及一种消防机器人多指标结构优化方法，包括：建立消防机器人系统的运动学模型，利用拉格朗日方法建立消防机器人系统的正向及逆向动力学模型；基于所建立的模型，对消防机器人的作业空间、负载能力、运动性能指标进行数学描述，得到各个指标与数学模型的内蕴关系，建立多指标线性加权综合优化函数，并基于现实需求和模糊推理相结合的方法计算加权系数，最终确定消防机器人各分部件的指标参数；机器人系统布局优化；虚拟仿真环境下的设计验证。本发明专利技术针对于消防机器人的机动性能、负载能力、工作空间、稳定性能进行多指标的综合优化设计，达到了总体性能的均衡，克服了消防机器人面对复杂救援环境时移动不便的缺点。

【技术实现步骤摘要】
消防机器人多指标结构优化方法
本专利技术属于消防救援
，尤其涉及一种消防机器人多指标结构优化方法。
技术介绍
消防机器人是科技不断发展和创新的产物，是一种特种机器人，在灭火以及抢险救援中能够起到让人意想不到的作用，可以辅助甚至逐渐取代消防员的工作，保障了消防员的生命安全。但大部分消防救援机器人在实际的应用过程中，也有着许多不足之处：若消防机器人的机械结构设计不够合理，移动不便，进入到火灾阵地时间较长，会错过最好的救援时机，限制其优点的发挥，因此，需要对消防机器人的结构进行优化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种消防机器人多指标结构优化方法，以解决上述技术问题。本专利技术提供了一种消防机器人多指标结构优化方法，包括如下步骤：步骤1，采用位姿描述、D-H坐标变换方法建立消防机器人系统的运动学模型，利用拉格朗日方法建立消防机器人系统的正向及逆向动力学模型；步骤2，基于所建立的运动学与动力学模型，对消防机器人的作业空间、负载能力、运动性能指标进行数学描述，得到各个指标与数学模型的内蕴关系，建立多指标线性加权综合优化函数，并基于现实需求和模糊推理相结合的方法计算加权系数，最终确定消防机器人各分部件的指标参数；步骤3，利用三维建模软件对系统的总体布局进行优化设计，实现其小体积与多功能的优化；步骤4，搭建火灾现场的虚拟地形和机器人系统的虚拟模型，并对虚拟模型进行驱动，得到消防机器人在不同地形环境下的结构形式及运动方式的适应性，对机器人系统的结构优化设计进行验证与迭代。进一步地，所述步骤1包括：将所得的运动学模型及动力学模型与计算机辅助建模软件进行对比分析，最终得到具有高可信度的系统模型。进一步地，步骤2中所述指标参数通过梯度类算法进行极值的求解得到。借由上述方案，通过消防机器人多指标结构优化方法，针对于消防机器人的机动性能、负载能力、工作空间、稳定性能进行多指标的综合优化设计，达到了总体性能的均衡，克服了消防机器人面对复杂救援环境时移动不便的缺点。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例详细说明如后。附图说明图1是本专利技术一实施例中双臂救援机器人D-H坐标系示意图；图2是本专利技术一实施例中层次模型示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。下面结合实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。火灾环境复杂、爆炸、倒塌时有发生，不易开展救援工作。消防机器人的机动灵活性、功能实现性、稳定可靠性等因素决定了机器人在火灾现场能否充分发挥作用。本实施例采用轮式机器人，四轮独立驱动，前后转向，保证了机器人的运动灵活性，避免了因轮胎打滑造成的驱动失效。较高的底盘与大功率驱动电机保证其在复杂救援环境的通过能力。机器人融合了机器人本体、通讯与定位系统、环境感知系统、控制检测系统等，是一个结构高度复杂系统，需要对其整体结构进行优化设计，以保证其能发挥出应有的能力。优化设计包括：1、机器人系统完备运动学与动力学建模：针对本实施例的消防机器人系统，首先采用位姿描述、D-H坐标变换方法建立消防机器人系统的运动学模型，利用拉格朗日方法建立消防机器人系统的正向及逆向动力学模型。所得的模型和计算机辅助建模软件进行对比分析，最终得到具有较高可信度的系统模型，为后续的结构优化设计提供支撑。在运动学建模中，其核心是利用下述坐标变换矩阵进行不同坐标系下的位姿统一描述。在动力学建模中，则主要是建立广义坐标系，并利用下述的拉格朗日公式进行建模分析：2、多指标综合优化设计。基于所建立的运动学与动力学模型，对消防机器人的作业空间、负载能力、运动性能(包括速度、加速度、越障能力)等指标进行数学描述，推导各个指标与数学模型的内蕴关系。建立多指标线性加权综合优化函数，并基于现实需求和模糊推理相结合的方法计算加权系数，最终合理确定消防机器人各分部件的指标参数。在实施例中，多指标加权函数的基本结构形式可初步设计为如下的形式：对于上面的加权函数，本实施例中拟考虑现实需求和模糊推理相结合的加权系数确定策略，并采用梯度类算法进行极值的求解，如牛顿法、极值搜索法等算法。3、机器人系统布局优化。消防机器人由机器人平台、环境感知系统、控制系统、通信与定位系统、电源管理系统、动力驱动系统、检测传感器系统等关键核心部件组成。各个部件的布局会影响到机器人系统的结构体积、重心分布、部件操作耦合、环境感知效果、运动空间等。本实施例利用三维建模软件对系统的总体布局进行优化设计，实现其小体积与多功能的优化。本实施例中利用的三维建模软件包括：Solidworks，ProE等。4、虚拟仿真环境下的设计验证。搭建火灾现场的虚拟地形和机器人系统的虚拟模型，并利用Matlab/Simulink对虚拟模型进行驱动，得到消防机器人在不同地形环境下的结构形式及运动方式的适应性，对机器人系统的结构优化设计进行验证与迭代。本实施例将SolidWorks等软件建立的三维模型，导入Vrap仿真环境中，并配合Matlab/Simulink中的Simscape工具包，联合进行整个设计的仿真验证。该消防机器人多指标结构优化方法，针对于消防机器人的机动性能、负载能力、工作空间、稳定性能进行多指标的综合优化设计，达到了总体性能的均衡，克服了消防机器人面对复杂救援环境时移动不便的缺点。在一具体实施例中，为了使双臂救援机器人在救援工程中工作空间、机械臂负载能力和机械臂末端运动速度达到综合优化，提出了基于多目标函数综合优化的救援机器人双臂结构设计方法。该救援机器人双臂结构设计方法基于三重积分的双机械臂工作空间描述方法，并利用模糊层次分析法，将多目标函数进行综合，最终通过粒子群算法进行目标函数最优值求解，得到机械臂结构参数的优化解，具体方案如下：(1)救援机器人双机械臂运动学分析①D-H坐标系以及参数表机器人的运动学描述需使用两种坐标系，局部坐标系O0X0Y0Z0和全局坐标系OXYZ，且双臂局部坐标系关于全局坐标系对称。对关节和连杆编号，由基体向末端执行器顺序编号，基体从0开始，关节从1开始，根据D-H法则，建立双臂救援机器人的D-H坐标系，如图1所示：通过坐标系进而得到左右两臂的D-H参数表，如表1所示。其中，ai是沿着Xi轴从Zi移动到Zi+1的距离；αi是绕着Xi轴从Zi转到Zi+1的角度；di是沿着Zi轴从Xi-1到Xi的距离；θi是绕着Zi轴从Xi-1到Xi的角度。表1双臂机器人D-H参数表②运动学正解6个相邻关节的齐次变换矩阵如式(1)所示：式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种消防机器人多指标结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，采用位姿描述、D-H坐标变换方法建立消防机器人系统的运动学模型，利用拉格朗日方法建立消防机器人系统的正向及逆向动力学模型；/n步骤2，基于所建立的运动学与动力学模型，对消防机器人的作业空间、负载能力、运动性能指标进行数学描述，得到各个指标与数学模型的内蕴关系，建立多指标线性加权综合优化函数，并基于现实需求和模糊推理相结合的方法计算加权系数，最终确定消防机器人各分部件的指标参数；/n步骤3，利用三维建模软件对系统的总体布局进行优化设计，实现其小体积与多功能的优化；/n步骤4，搭建火灾现场的虚拟地形和机器人系统的虚拟模型，并对虚拟模型进行驱动，得到消防机器人在不同地形环境下的结构形式及运动方式的适应性，对机器人系统的结构优化设计进行验证与迭代。/n

【技术特征摘要】
1.一种消防机器人多指标结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采用位姿描述、D-H坐标变换方法建立消防机器人系统的运动学模型，利用拉格朗日方法建立消防机器人系统的正向及逆向动力学模型；
步骤2，基于所建立的运动学与动力学模型，对消防机器人的作业空间、负载能力、运动性能指标进行数学描述，得到各个指标与数学模型的内蕴关系，建立多指标线性加权综合优化函数，并基于现实需求和模糊推理相结合的方法计算加权系数，最终确定消防机器人各分部件的指标参数；
步骤3，利用三维建模软件对系统的总体布局进行优化设计，实现其小体积与多功能...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾栓紧，纪任鑫，祝鑫海，李虹，
申请(专利权)人：中国消防救援学院，
类型：发明
国别省市：北京;11