一种五自由度并联机构的多目标优化设计方法研究

摘要

面向航空、航天、汽车等领域大型整体结构件高效高精度加工对并/混联机器人装备的重要需求，本文系统研究一种五自由度并联机构（T5并联机构）的运动学与刚度性能分析及优化设计问题。全文取得如下创造性成果：
　　(1)提出并联机构的多目标优化设计方法及其一般流程。首先，建立参数扰动模型考察参数扰动对机构性能的影响。其次，利用响应面法建立目标函数的解析模型，借助Pareto前沿法进行多目标优化设计，通过提出目标匹配策略实现设计参数优选。最后，建立多目标优化设计的一般流程，包括响应面模型建立、约束边界设置、多目标优化设计以及目标匹配策略制定。
　　(2)进行T5并联机构的运动学分析与运动学优化设计。首先，开展T5并联机构位置逆解、工作空间及运动/力映射模型的分析。其次，依据并联机构运动与力的传递特性提出虚功率传递率作为运动学性能评价指标，将粒子群智能算法作为优化工具，进行计及尺度参数扰动的多目标优化设计，由最小距离选择法确定最佳尺度参数区间。
　　(3)开展考虑重力影响的T5并联机构半解析静刚度建模与实验研究。首先建立考虑重力作用的力/变形映射模型。其次，进行IR1副、IR2副的柔度矩阵分析，由虚功原理等定律依次开展冗余子结构I与过约束子结构II的柔度建模，通过子结构柔度矩阵的叠加获得T5并联机构的整机刚度模型。最后，通过静刚度实验验证T5并联机构半解析刚度模型的有效性。
　　(4)定义刚度性能评价指标并提出参数灵敏度分析方法。首先，基于瞬时能量推导单向及全域刚度性能评价指标，进行刚度奇异分析。其次，借助响应面法建立性能评价指标的解析模型，构建性能鲁棒性函数，由该函数关于参数均值与方差的一阶微分定义参数灵敏度指标。最后，以T5并联机构为对象确定刚度性能评价指标并进行参数灵敏度分析，筛选刚度性能优化设计的主要参数。
　　(5)进行基于截面参数扰动模型的刚度性能多目标优化设计。以T5并联机构执行部件质量、整体刚度性能评价指标的全域均值与方差、重力方向刚度性能评价指标为优化目标，基于Pareto前沿法开展多目标优化设计，依据最小距离选择法确定质量与刚度性能的最佳匹配关系，实现截面参数的优选。
　　本文研究成果对突破并联机构性能分析与设计的基础理论，推进并/混联机器人装备的工程应用具有重要意义。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

第二章 多目标优化设计方法与流程

2.1 引言

2.2 参数扰动模型

2.3 多目标优化设计方法

2.4 多目标优化设计流程

2.5 小结

第三章 运动学分析与优化设计

3.1 引言

3.2 运动学分析

3.3 运动学优化设计

3.4 小结

第四章 静刚度建模与实验验证

4.1 引言

4.2 整机静刚度建模思路

4.3 子结构柔度模型

4.4 实验验证

4.5 小结

第五章 刚度性能评价与参数灵敏度分析

5.1 引言

5.2 刚度性能评价

5.3 参数灵敏度分析

5.4 算例

5.5 小结

第六章 刚度性能优化设计

6.1 引言

6.2 多目标优化设计

6.3 讨论

6.4 小结

第七章 全文总结

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 工作展望

参考文献

附 录

发表论文和参加科研情况说明

致谢