一种制造技术

本发明专利技术公开了一种

【技术实现步骤摘要】
一种6R工业机器人结构参数优化方法


[0001]本专利技术涉及一种工业机器人结构参数算法，尤其是涉及一种使用于工业机器人结构参数算法上的
6R
工业机器人结构参数优化方法
。

技术介绍

[0002]现有的工业机器人在设计过程中主要以工作空间作为设计准则，但这一准则并不能保证机械臂的灵活性，也不能衡量机械臂的动力学性能；并且工业机器人的设计过程中往往只满足工作空间和运动学设计要求，但是对于动力学性能没有进行优化，例如对于机器人运行过程中的能量消耗没有过多关注
。
在实际工作中，机械臂完成特定任务时其末端活动范围并不是整个工作空间，其只是整个工作空间的一部分，这样的任务需求意味着我们只需要保证给定工作空间区域的灵活性即可
。
此外，在工业机器人设计过程中，单台工业机器人一般长期执行单一任务场景，其运动学及动力学性能未必是最优的，由于单台机器人长期重复执行单一路径规划程序，需要引入特定轨迹下的性能指标进行针对性的结构参数优化
。
因此，需要设计一种在满足给定工作空间约束下，使结构紧凑的同时兼顾灵活度和能量消耗的结构参数优化方法
。

技术实现思路

[0003]本专利技术为解决现有工业机器人存在着不能保证机械臂的灵活性也不能衡量机械臂的动力学性能，往往只满足工作空间和运动学设计要求，运动学及动力学性能未必是最优等现状而提供的一种不仅考虑工作空间约束，还在保证结构尽量紧凑的同时考虑了单一工作任务中的平均灵活度，另外将能量消耗引入优化指标中，可以实现在满足给定工作空间的约束下，实现基于平均灵活度与能量消耗最优的结构参数优化，同时尽量保证结构更紧凑同时兼顾灵活度和能量消耗，可使连杆长度尽量小的
6R
工业机器人结构参数优化方法
。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用了一种
6R
工业机器人结构参数优化方法，包括如下优化算法步骤：
[0005]A1.
在给定的工作空间内随机生产
N
个工作点，形成工作点生成步骤，其中
N
为自然数；
[0006]A2.
对生成的工作点进行工作点路径规划，按照起点
、
工作点
、
起点的循环进行工作点路径规划，确定工作轨迹；
[0007]A3.
计算参数优化前相关性能，给定工作空间下的工作空间指标，给定工作轨迹下的平均灵活度指数和能量消耗
。
[0008]A4.
在满足约束条件的情况下，确定尺寸参数范围，并对机械臂结构参数种群进行种群初始化；
[0009]A5.
计算种群个体的工作空间指标
、
平均灵活度及能量消耗指标；
[0010]A6.
根据计算得到的性能指标，最终给出结构参数优化评价函数，对种群内的各个
个体进行适应度评价，并选择个体进行种群进化操作；
[0011]A7.
结束终止条件的判断，当进化迭代次数满足结束要求设定条件时终止条件，
[0012]输出最终解
。
[0013]不仅考虑工作空间约束，还在保证结构尽量紧凑的同时考虑了单一工作任务中的平均灵活度，另外将能量消耗引入优化指标中，可以实现在满足给定工作空间的约束下，实现基于平均灵活度与能量消耗最优的结构参数优化，同时尽量保证结构更紧凑同时兼顾灵活度和能量消耗，可使连杆长度尽量小
。
[0014]优选的，上述
A5
步骤包括如下优化算法步骤
[0015]B1.
对种群内的各个个体进行性能指标上的个体筛选；
[0016]B2.
根据个体筛选得到的筛选结果判断种群满足是否要求；
[0017]B3.
如果判断得出不满足要求的，返回循环执行上述
A4
步骤；
[0018]B4.
如果判断得出是满足要求的，执行种群进化开始操作；
[0019]B5.
路径规划及运动逆解求解；
[0020]B6.
根据路径规划及运动逆解求解得到的数据，进行优化评价函数计算；
[0021]B7.
根据优化后的评价函数，判断是否满足结束要求；
[0022]B8.
判断不满足结束要求的，返回循环执行上述
B4
步骤
。
[0023]提高对种群内的各个个体进行适应度评价优化有效性
。
[0024]优选的，所述的给定的工作空间是指给定工作空间下的工作空间指标
[0025][0026]基于图1所示的机器人
D
‑
H
坐标系图，坐标系
i
的
z
轴
z
i
与关节
i+1
的轴线重合，
x
轴为两相邻的
z
轴的公垂线，
y
轴按照右手准则进行确定，相邻关节沿公垂线的距离为连杆长度，表示为
a
i
，沿关节
i
轴线的两个公垂线的距离为连杆偏距，表示为
d
i
。h
为工业机器人的结构设计参数矩阵，在保持原机械臂的结构特征下可取
h
＝
[a1,a2,a3,d4,d6]，
l
＝
a1+a2+a3+d4+d6。
为工业机器人连杆长度和，
l0为优化前的连杆长度和，
d
为给定的工作空间与机器人工作空间空隙的最小距离，
d0为优化前的最小距离，
λ1,
λ2∈(0,1),
λ1+
λ2＝1，
λ1和
λ2分别表示
l
和
d
在该指标中所占的权重
。
该指标旨在满足作业要求的前提下，满足结构紧凑的要求
。
提高工作空间指标在优化算法中结构优化有效性
。
[0027]优选的，所述的工作轨迹下确定平均灵活指数为，
[0028][0029][0030]其中
D
为某点处的灵活度，
Δα
,
Δβ
,
Δγ
分别为某点处的偏航角
、
俯仰角
、
滚动角范围，
N
表示工作空间或者轨迹上取的
N
个点，
D
mean
表示在
N
个点上的平均灵活度，
D0表示优化前的平均灵活度；该指标旨在提高工作任务中机械臂的平均灵活度
。
[0031]优选的，所述的能量消耗指标：
[0032][0033]E(h)
表示运动过程中的能量消耗，并对其进行归一化处理，
E0表示优化前的能量消耗<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
6R
工业机器人结构参数优化方法，其特征在于包括如下优化算法步骤：
A1.
在给定的工作空间内随机生产
N
个工作点，形成工作点生成步骤，其中
N
为自然数；
A2.
对生成的工作点进行工作点路径规划，按照起点
、
工作点
、
起点的循环进行工作点路径规划，确定工作轨迹；
A3.
计算参数优化前相关性能，给定工作空间下的工作空间指标，给定工作轨迹下的平均灵活度指数和能量消耗
。A4.
在满足约束条件的情况下，确定尺寸参数范围，并对机械臂结构参数种群进行种群初始化；
A5.
计算种群个体的工作空间指标
、
平均灵活度及能量消耗指标；
A6.
根据计算得到的性能指标，最终给出结构参数优化评价函数，对种群内的各个个体进行适应度评价，并选择个体进行种群进化操作；
A7.
结束终止条件的判断，当进化迭代次数满足结束要求设定条件时终止条件，输出最终解
。2.
按照权利要求1所述的
6R
工业机器人结构参数优化方法，其特征在于：上述
A6
步骤包括如下优化算法步骤
B1.
对种群内的各个个体进行性能指标上的个体筛选；
B2.
根据个体筛选得到的筛选结果判断种群满足是否要求；
B3.
如果判断得出不满足要求的，返回循环执行上述
A4
步骤；
B4.
如果判断得出是满足要求的，执行种群进化开始操作；
B5.
路径规划及运动逆解求解；
B6.
根据路径规划及运动逆解求解得到的数据，进行优化评价函数计算；
B7.
根据优化后的评价函数，判断是否满足结束要求；
B8.
判断不满足结束要求的，返回循环执行上述
B4
步骤
。3.
按照权利要求1所述的
6R
工业机器人结构参数优化方法，其特征在于：所述的给定的工作空间下的工作空间指标基于机器人
D
‑
H
坐标系图，坐标系
i
的
z
轴
z
i
与关节
i+1
的轴线重合，
x
轴为两相邻的
z
轴的公垂线，
y
轴按照右手准则进行确定，相邻关节沿公垂线的距离为连杆长度，表示为
a
i
，沿关节
i
轴线的两个公垂线的距离为连杆偏距，表示为
d
i
。h
为工业机器人的结构设计参数矩阵，在保持原机械臂的结构特征下可取
h
＝
[a1,a2,a3,d4,d6]
，
l
＝
a1+a2+a3+d4+d6。
为工业机器人连杆长度和，
l0为优化前的连杆长度和，
d
为给定的工作空间与机器人工作空间空隙的最小距离，
d0为优化前的最小距离，
λ1,
λ2∈(0,1),
λ1+
λ2＝1，
λ1和
λ2分别表示
l
和
d
在该指标中所占的权重；该指标旨在满足作业要求的前提下，满足结构紧凑的要求
。4.
按照权利要求1所述的
6R
工业机器人结构参数优化方法，其特征在于：所述的工作轨迹下确定平均灵活指数为，迹下确定平均灵活指数为，
其中
D
为某点处的灵活度，
Δα
,
Δβ
,
Δγ
分别为某点处的偏航角
、
俯仰角
、
滚动角范围，

【专利技术属性】
技术研发人员：庹瑶瑶，宋延奎，王伟勇，胡庆韩，方呈斌，李俊阳，
申请(专利权)人：浙江今飞机械有限公司，
类型：发明
国别省市：