并联机构旋转空间最大化的设计方法和装置

摘要

本发明实施例提供一种并联机构旋转空间最大化的设计方法和装置。本发明并联机构旋转空间最大化的设计方法，在通过多目标优化算法确定最优解集时考虑实际工程部件，使得通过多目标优化算法得到的最优解集，可以较好的指导实际构建并联机构，并可以达到预期效果，从而有效提升构建的并联机构的旋转空间。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及并联机构的工作空间优化技术，尤其涉及一种并联机构旋转空间最大化的设计方法和装置。

背景技术

以并联机构作为精密运动平台的并联机床是20世纪90年代发展起来的新型机床，它是机构学理论、机器人技术和数控技术结合的产物。与传统的串联机床相比，并联机床具有高刚度、低惯性和高响应速度优势，非常适用于高速切削加工的要求。

并联机构适用于精密度高、工件具有复杂曲面的加工领域，特别在航空航天、军事科研、精密器械、高精医疗设备等行业中，具有举足轻重的影响力。然而，为解决并联机构的空间偏转能力有限的问题，往往从理论的结构参数模型出发设计优化算法，通过优化算法获取优选的结构参数值，依据该优选的结构参数值选择数值相近的工程结构件，其中，由于通过优化算法选择工程结构件过程中，并未考虑工程结构件的结构参数的离散化特点，使得通过上述方法指导实际工程设计与制造的并联机构的旋转空间，并不能达到预期效果。

发明内容

本发明实施例提供一种并联机构旋转空间最大化的设计方法和装置，以较好的指导实际构建并联机构，并可以达到预期效果，从而有效提升构建的并联机构的旋转空间。

第一方面，本发明实施例提供一种并联机构旋转空间最大化的设计方法，包括：

获取并联机构的工作环境的空间大小和并联机构的工程部件的型号数据库；

根据所述工作环境的空间大小和所述工程部件的型号数据库确定优化并联机构旋转空间的约束条件；

根据并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数确定优化目标函数，所述优化目标函数用于表征并联机构的旋转空间体积；

将所述约束条件和所述优化目标函数作为多目标优化算法的输入，通过所述多目标优化算法确定最优解集；

根据所述最优解集选择工程部件构建并联机构，以使所述并联机构在工作环境中获取最大旋转空间；

其中，所述工程部件的型号数据库包括工程部件的型号和与型号对应的尺寸。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述根据所述工作环境的空间大小和所述工程部件的型号数据库确定优化并联机构旋转空间的约束条件，包括：

根据所述工作环境的空间大小确定并联机构的连续型结构参数的取值范围；

根据所述工程部件的型号数据库确定并联机构的离散型结构参数的取值范围；

将所述连续型结构参数的取值范围和所述离散型结构参数的取值范围作为优化并联机构旋转空间的约束条件。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述连续型结构参数包括并联机构的固定平台的尺寸和并联机构的垂直方向的平移自由度中任意一项或其组合。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述离散型结构参数包括并联机构的直线导轨的尺寸和球面轴承的尺寸中任意一项或其组合。

结合第一方面的第一种至第三种任一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述根据并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数确定优化目标函数，包括：

将所述连续型结构参数和所述离散型结构参数作为计算并联机构的旋转空间算法的输入，通过所述旋转空间算法确定并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数；

根据所述最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数利用层次分析法确定并联机构的旋转空间的主级评价元素和次级评价元素；

将所述主级评价元素和所述次级评价元素作为所述优化目标函数；

其中，所述主级评价元素为最大偏转角和一致性偏转因子函数，所述次级评价元素为各支杆的最大转角函数。

结合第一方面、第一方面的第一种至第三中任一种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述多目标优化算法包括非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ。

第二方面，本发明实施例提供一种并联机构旋转空间优化设计装置，包括：

获取模块，用于获取并联机构的工作环境的空间大小和并联机构的工程部件的型号数据库；

第一确定模块，用于根据所述工作环境的空间大小和所述工程部件的型号数据库确定优化并联机构旋转空间的约束条件；

第二确定模块，用于根据并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数确定优化目标函数，所述优化目标函数用于表征并联机构的旋转空间体积；

处理模块，用于将所述约束条件和所述优化目标函数作为多目标优化算法的输入，通过所述多目标优化算法确定最优解集；根据所述最优解集选择工程部件构建并联机构，以使所述并联机构在工作环境中获取最大旋转空间；

其中，所述工程部件的型号数据库包括工程部件的型号和与型号对应的尺寸。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述第一确定模块具体用于：

根据所述工作环境的空间大小确定并联机构的连续型结构参数的取值范围；

根据所述工程部件的型号数据库确定并联机构的离散型结构参数的取值范围；

将所述连续型结构参数的取值范围和所述离散型结构参数的取值范围作为优化并联机构旋转空间的约束条件。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述连续型结构参数包括并联机构的固定平台的尺寸和并联机构的垂直方向的平移自由度中任意一项或其组合。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述离散型结构参数包括并联机构的直线导轨的尺寸和球面轴承的尺寸中任意一项或其组合。

结合第二方面的第一种至第三种任一种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，第二确定模块具体用于：

将所述连续型结构参数和所述离散型结构参数作为计算并联机构的旋转空间算法的输入，通过所述旋转空间算法确定并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数；

根据所述最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数利用层次分析法确定并联机构的旋转空间的主级评价元素和次级评价元素；

将所述主级评价元素和所述次级评价元素作为所述优化目标函数；

其中，所述主级评价元素为最大偏转角和一致性偏转因子函数，所述次级评价元素为各支杆的最大转角函数。

结合第二方面、第二方面的第一种至第三中任一种可能的实现方式，在第二方面的第五种可能的实现方式中，所述多目标优化算法包括非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ。

本发明实施例并联机构旋转空间最大化的设计方法和装置，通过获取并联机构的工作环境的空间大小和并联机构的工程部件的型号数据库，根据工作环境的空间大小和工程部件的型号数据库确定优化并联机构旋转空间的约束条件，将表征并联机构的旋转空间体积的函数作为优化目标函数，通过多目标优化算法确定最优解集，根据最优解集选择工程部件构建并联机构，即在通过多目标优化算法确定最优解集时考虑实际工程部件，使得通过多目标优化算法得到的最优解集，可以较好的指导实际构建并联机构，并可以达到预期效果，从而有效提升构建的并联机构的旋转空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明并联机构旋转空间最大化的设计方法实施例一的流程图；

图2为本发明并联机构旋转空间最大化的设计中约束条件的确定方法的流程图；

图3为本发明并联机构旋转空间最大化的设计中优化目标函数的确定方法的流程图；

图4为本发明并联机构旋转空间最大化的设计装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明并联机构旋转空间最大化的设计方法实施例一的流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤101、获取并联机构的工作环境的空间大小和并联机构的工程部件的型号数据库。

其中，并联机构的工作环境的空间大小具体指并联机构的工作环境的空间尺寸，例如空间的长度、宽度以及高度等。所述工程部件的型号数据库包括工程部件的型号和与型号对应的尺寸，该工程部件具体是标准化工程部件，即标准件，具体指结构、尺寸、标记等各个方面已经完全标准化，并由专业厂生产的常用的零部件，可以包括标准化的紧固件、连结件、传动件、密封件、液压元件、气动元件、轴承、弹簧等机械零件，每个工程部件具有用于标识自身的型号，本发明实施例的工程部件的型号数据库包括了工程部件的型号和与型号对应的尺寸。

步骤102、根据所述工作环境的空间大小和所述工程部件的型号数据库确定优化并联机构旋转空间的约束条件。

步骤103、根据并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数确定优化目标函数，所述优化目标函数用于表征并联机构的旋转空间体积。

步骤104、将所述约束条件和所述优化目标函数作为多目标优化算法的输入，通过所述多目标优化算法确定最优解集，所述最优解集用于根据所述最优解集选择工程部件构建并联机构。

具体的，在该约束条件范围内通过多目标优化算法确定最优解集，该最优解集包括了使得优化目标函数最大化的解，即使得并联机构的旋转空间最大化的解。

其中，所述多目标优化算法包括非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ，当然也可以选择其他多目标优化算法。NSGA-Ⅱ具有计算复杂度低、保证精英种群不被丢弃等优势。

本实施例，通过获取并联机构的工作环境的空间大小和并联机构的工程部件的型号数据库，根据工作环境的空间大小和工程部件的型号数据库确定优化并联机构旋转空间的约束条件，将表征并联机构的旋转空间体积的函数作为优化目标函数，通过多目标优化算法确定最优解集，根据最优解集选择工程部件构建并联机构，即在通过多目标优化算法确定最优解集时考虑实际工程部件，使得通过多目标优化算法得到的最优解集，可以较好的指导实际构建并联机构，并可以达到预期效果，从而有效提升构建的并联机构的旋转空间。

下面采用两个具体的实施例对图1所示方法实施例的技术方案中约束条件的确定和优化目标函数的确定分别进行详细说明。

图2为本发明并联机构旋转空间最大化的设计中约束条件的确定方法的流程图，如图2所示，本实施例的方法可以包括：

步骤201、根据工作环境的空间大小确定并联机构的连续型结构参数的取值范围。

其中，所述连续型结构参数包括并联机构的固定平台的尺寸和并联机构的垂直方向(垂直于固定平台方向)的平移自由度中任意一项或其组合。具体的，在实际应用过程中，并联机构的下平面作为固定平台与其他部件进行连接，因此固定平台的尺寸是一个在一定范围之内的连续型参数，根据并联机构所处的工作环境决定并联机构的连续型结构参数的取值范围。

步骤202、根据工程部件的型号数据库确定并联机构的离散型结构参数的取值范围。

其中，工程部件的型号数据库包括标准件的型号和型号对应的尺寸，标准件可以包括标准化的直线导轨、滚动轴承等，根据工程部件的型号数据库可以确定离散型结构参数的取值范围，所述离散型结构参数包括并联机构的直线导轨的尺寸和球面轴承的尺寸中任意一项或其组合。当然，本发明实施例并不仅限于此，例如还可以包括直线轴尺寸、抽屉式导轨尺寸等，即可以包括构建并联机构所需的任意工程部件的尺寸。离散型结构参数的取值范围即可选择的标准件的尺寸。

步骤203、将所述连续型结构参数的取值范围和所述离散型结构参数的取值范围作为优化并联机构旋转空间的约束条件。

本实施例，通过根据工作环境的空间大小确定并联机构的连续型结构参数的取值范围，以及根据工程部件的型号数据库确定并联机构的离散型结构参数的取值范围，将所述连续型结构参数的取值范围和所述离散型结构参数的取值范围作为优化并联机构旋转空间的约束条件，从而使得在优化并联机构旋转空间过程中，将工程部件的实际结构参数作为约束条件，从而可以使得优化并联机构旋转空间所得到的结果有效指导实际工程设计和制造，并可以达到预期效果。

图3为本发明并联机构旋转空间最大化的设计中优化目标函数的确定方法的流程图，如图3所示，本实施例的方法可以包括：

步骤301、将连续型结构参数和离散型结构参数作为计算并联机构的旋转空间算法的输入，通过所述旋转空间算法确定并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数。

步骤302、根据所述最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数利用层次分析法确定并联机构的旋转空间的主级评价元素和次级评价元素。

步骤303、将所述主级评价元素和所述次级评价元素作为所述优化目标函数。

其中，所述主级评价元素为最大偏转角和一致性偏转因子函数，所述次级评价元素为各支杆的最大转角函数。

本实施例，在确定优化目标函数过程中利用层次分析法，利用该优化目标函数优化指导构建的并联机构的旋转空间，可以进一步并联机构的旋转空间。

图4为本发明并联机构旋转空间最大化的设计装置的结构示意图，如图4所示，本实施例的装置可以包括：获取模块11、第一确定模块12、第二确定模块13和处理模块14，其中，获取模块11用于获取并联机构的工作环境的空间大小和并联机构的工程部件的型号数据库，第一确定模块12，用于根据所述工作环境的空间大小和所述工程部件的型号数据库确定优化并联机构旋转空间的约束条件，第二确定模块13，用于根据并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数确定优化目标函数，所述优化目标函数用于表征并联机构的旋转空间体积，处理模块14，用于将所述约束条件和所述优化目标函数作为多目标优化算法的输入，通过所述多目标优化算法确定最优解集，所述最优解集用于根据所述最优解集选择工程部件构建并联机构，其中，所述工程部件的型号数据库包括工程部件的型号和与型号对应的尺寸。

可选的，所述多目标优化算法包括非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ。

本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

进一步的，图4所示实施例中的第一确定模块12具体可以用于根据所述工作环境的空间大小确定并联机构的连续型结构参数的取值范围；根据所述工程部件的型号数据库确定并联机构的离散型结构参数的取值范围；将所述连续型结构参数的取值范围和所述离散型结构参数的取值范围作为优化并联机构旋转空间的约束条件。所述连续型结构参数包括并联机构的固定平台的尺寸和并联机构的垂直方向的平移自由度中任意一项或其组合。所述离散型结构参数包括并联机构的直线导轨的尺寸和球面轴承的尺寸中任意一项或其组合。可以用于执行图2所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

第二确定模块13具体可以用于：将所述连续型结构参数和所述离散型结构参数作为计算并联机构的旋转空间算法的输入，通过所述旋转空间算法确定并联机构的最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数；根据所述最大偏转角函数、一致性偏转因子函数以及各支杆的最大转角函数利用层次分析法确定并联机构的旋转空间的主级评价元素和次级评价元素；将所述主级评价元素和所述次级评价元素作为所述优化目标函数；其中，所述主级评价元素为最大偏转角和一致性偏转因子函数，所述次级评价元素为各支杆的最大转角函数。可以用于执行图3所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。