【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非圆轮系机构设计方法，具体涉及到一种基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法。
技术介绍
1、在水稻插秧机械以及其他领域，常会涉及到周期性非匀速的齿轮传动，常用的有偏心圆齿轮、椭圆齿轮等非圆齿轮，但这些非圆齿轮机构传动比受节曲线方程的限制，只能输出有限的末端位姿。采用bezier曲线拟合非圆齿轮节曲线的设计理念由来已久，bezier曲线拟合的非圆齿轮可输出任意传动比曲线，可输出任意复杂的末端位姿，但由于设计过程和参数优化的繁复，从而难以求解最优机构参数。
2、现有通过人机交互方式寻找最优机构解的设计方法存在初始参数选择盲目性大、参数间耦合性强等难题，只能设定容差后寻得非劣解，无法手动寻找到最佳机构参数。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，具体
技术实现思路
有：采用bezier曲线拟合了非圆齿轮节曲线，并建立共轭非圆齿轮副数学模型，以2r开链基本构型为基础，基于矢量法建立机构运动模型，推导了机构末端运动矢量方程和速度矢量方程，得到了最小目标函数值和最优非圆太阳轮型值点坐标值。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所提供的技术方案是：
3、步骤一、建立2r非圆轮系机构，包括非圆太阳轮、非圆行星轮、行星架和执行构件(栽植臂)，其中非圆太阳轮节曲线由闭合的bezier曲线拟合而成，节曲线形状由12个bezier型值点控制，非圆行星轮与非圆太阳轮共轭啮合，非圆太阳轮与行星架同向差
4、步骤二、建立2r非圆轮系分插机构数学模型，其中，非圆太阳轮节曲线由bezier曲线拟合而成，其节曲线方程如下：
5、
6、其中，(pxi,pyi)为非圆太阳轮节曲线型值点坐标，i＝1,2,3...12，t为步长，(bx(t),by(t))为非圆太阳轮节曲线直角坐标，根据共轭非圆齿轮副的节曲线纯滚动原理，非圆太阳轮转动一周满足以下关系：
7、
8、式(2)中，n为平均传动比，a为齿轮中心距，θ为非圆太阳轮节曲线极角，r1(θ)为非圆太阳轮节曲线极坐标，由此可以推导出共轭非圆齿轮节曲线的极坐标方程如下：
9、
10、式(3)中，为非圆太阳轮节曲线极坐标，为非圆行星轮节曲线极坐标；
11、步骤三、基于矢量法建立2r开链非圆齿轮机构运动学模型，推导机构末端运动方程，将行星架视为矢量r1，执行机构为矢量r2，轨迹点则为矢量f：
12、
13、r2＝lejβ (5)
14、f＝r1+r2 (6)
15、其中，a为共轭齿轮中心距，l为执行构件杆长，j为虚数单位，为非圆太阳轮转角，β为执行构件转角，根据欧拉公式将式(4)、式(5)展开：
16、
17、r2＝l·cosβ(t)+lj·sinβ(t) (8)
18、由于行星架和非圆太阳轮同向差速转动，分别计算行星架转角和非圆太阳轮转角：
19、
20、γ(t)＝ω2t (10)
21、其中，式(9)为行星架转角，式(10)为非圆太阳轮转角，t为时间，则执行构件相对行星架转角为：
22、
23、式(11)中，i(θ)为非圆太阳轮和非圆行星轮的传动比，由式(1)和式(3)计算得出，给定栽植臂初始安装角α，即执行构件相对行星架的初始装配角，可以推导出执行构件(栽植臂)的绝对转角β(t)：
24、
25、根据式(6)、式(11)、式(12)可推出执行构件(栽植臂)的末端运动矢函数：
26、
27、对式(13)进行一阶求导即可得到执行构件(栽植臂)的末端速度矢函数：
28、
29、步骤四、以非圆太阳轮节曲线型值点极径为寻优种群，以拟人手插秧轨迹为寻优目标，对非圆齿轮分插机构末端运动轨迹和拟人手插秧轨迹做相同方式的归一化处理，并提取轨迹特征，以二者特征差值作为目标函数，基于遗传算法对寻优种群进行遗传迭代，从而在非圆太阳轮节曲线型值点的解域空间内搜索到最优齿轮构型参数，用以提供非圆齿轮分插机构的设计依据。
30、具体的，对非圆齿轮分插机构末端运动轨迹和拟人手插秧轨迹进行坐标变换，消除位置、角度和大小上的差异：
31、
32、
33、
34、上式中，式(15)为轨迹曲线的坐标平移公式，式(16)为轨迹曲线坐标旋转公式，式(17)为轨迹曲线坐标缩放公式，(p0x，p0y)为原始轨迹曲线，将原始轨迹曲线平移后得到轨迹曲线(p1x，p1y)，将轨迹曲线(p1x，p1y)旋转后得到轨迹曲线(p2x，p2y)，将轨迹曲线(p2x，p2y)缩放后得到轨迹曲线(p3x，p3y)，其中|ab|为封闭轨迹曲线最远两点，为直线|ab|与-x轴夹角，d为缩放因子。
35、提取非圆齿轮分插机构末端轨迹和拟人手插秧轨迹特征，(xi，yi)为待优机构末端轨迹特征点，(xgi，ygi)为目标轨迹特征点，采用欧氏距离函数建立遗传算法目标函数：
36、
37、步骤五、基于可编程数值计算软件重复执行步骤二到步骤四可在有限的迭代次数下得到最小目标函数值和最优非圆太阳轮节曲线型值点坐标值。
38、在式(18)的目标函数，(xi,yi)为非圆齿轮分插机构末端轨迹点集，(xgi,ygi)为拟人手插秧时的轨迹点集，对二者轨迹点集进行极坐标上的重新插值排序，取360个点集坐标为特征，二者对应点欧氏距离之和即为目标函数值，目标函数值越小，二者轨迹重合度越高，对应型值点坐标参数越接近最优机构解；在迭代寻优过程中，考虑非圆齿轮空间尺寸和解域空间的收敛速度，设置初始种群的寻优区间为[40,110]，迭代次数为200代。
39、本专利技术的有益效果是：
40、1.本专利技术基于bezier曲线原理提供了共轭非圆齿轮副数学模型，使得整周期内任意传动比曲线的非圆齿轮副得以实现。
41、2.本专利技术以2r非圆轮系机构为基本构型，基于矢量法建立了运动学模型，推导了机构末端运动学方程，为机构优化设计软件的开发提供了理论基础。
42、3.本专利技术基于遗传算法思想实现了非圆轮系分插机构的参数优化，避免初始参数选择盲目性和寻出局部非劣解，可在有限参数解域空间内搜索到最优的非圆齿轮分插机构参数。
43、4.本专利技术结合数值计算方法，容易利用可视化平台进行软件开发，显现非圆轮系机构设计结果的可视化输出，降低非圆齿轮机构设计难度，使得非专业人士也能从事非匀速齿轮传动的设计。
44、5.本专利技术基于遗传算法思想，结合封闭轨迹曲线归一化方式，以2r非圆轮系分插机构末端轨本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤一所述的2R非圆轮系机构构型为两臂或三臂式输出，在非圆太阳轮圆周方向等角度安装相同尺寸的非圆行星轮和执行构件。
3.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤二中，闭合的Bezier曲线是通过设置首末非圆太阳轮节曲线型值点坐标重合得到的。
4.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤二中，非圆太阳轮节曲线型值点坐标按30°等间隔排列。
5.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤五中，遗传算法目标函数寻优过程中，以非圆太阳轮节曲线型值点坐标为寻优种群，考虑到机构运动空间和收敛速度的限制，设置非圆太阳轮节曲线型值点坐标的初始寻优区间为[40，110]，设置迭代次数为200代。
6.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤四，轨迹特征为
...【技术特征摘要】
1.基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤一所述的2r非圆轮系机构构型为两臂或三臂式输出，在非圆太阳轮圆周方向等角度安装相同尺寸的非圆行星轮和执行构件。
3.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤二中，闭合的bezier曲线是通过设置首末非圆太阳轮节曲线型值点坐标重合得到的。
4.根据权利要求1所述的基于遗传算法的非圆轮系分插机构设计方法，其特征在于，步骤二...
【专利技术属性】
技术研发人员：周脉乐，杨佳佳，王桂彬，孙昊，魏兆祥，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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