基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法及系统

摘要

本发明涉及一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法及系统。该方法包括：根据末端负载特性以及串联机构结构参数，利用动力学仿真软件，确定液压串联机构中各关节的旋转型负载特性；建立各个关节中相邻两杆件之间的固定坐标系以及关节全局坐标系，并确定各个关节的铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系；根据旋转型负载特性及关节驱动力臂计算各个关节的直线型负载特性，以计算各个关节的液压缸结构参数以及液压油源流量；根据液压缸结构参数和液压油源流量，确定液压串联机构关节铰点位置的轻量化指标；以轻量化指标为适应度函数，求解所述轻量化指标最小时所对应的串联机构各关节的铰点坐标，使得串联机构的整体重量最轻。

说明书

技术领域

本发明涉及液压驱动型串联机构技术领域，特别是涉及一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法及系统。

背景技术

在各类机械装备中，其机构形式主要有串联机构、并联机构和串并联组合机构。串联机构由若干个单自由度的基本机构顺序首末联接，相比于并联机构，具有结构简单、控制简单、运动空间大等优点，已广泛应用于诸多设备，如挖掘机、泵车、机器人等。因此，串联机构在各类装备中拥有不可代替的作用。

串联机构重量对装备的性能影响较大，轻量化后可使整机性能得到明显改善，特别是靠近机构末端重量影响更大。以工程机械中的泵车为例，其臂架重量减轻40％，车长可减小2米，支腿跨距减小20％，油耗降低10％。液压驱动型串联机构相邻两杆件间的旋转运动，一般由液压马达、液压摆缸、液压缸驱动。其中，液压缸需在相邻杆件上选取合适的铰点进行安装，从而将自身的直线运动转化成串联机构关节的旋转运动。然而，不同的铰点位置影响液压缸行程、活塞直径、活塞杆直径、控制阀大小等，从而影响机构的重量。因此，在保持装备性能情况下，优化液压驱动型串联机构关节铰点位置是减轻装备重量的重要途径之一。

液压驱动型串联机构关节铰点位置的传统优化方法，是利用动力学仿真软件，在保证机械不干涉的情况下，通过试凑调整的方法，选择不同的铰接点，以满足机构末端负载需求(出力和速度)。采用该方法虽能满足串联机构末端的负载需求，但不能保证串联机构的整体重量最轻。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法及系统，以解决传统的关节铰点位置优化方法无法保证串联机构的整体重量最轻的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法，包括：

获取液压串联机构末端的末端负载特性以及串联机构结构参数；所述末端负载特性包括末端速度和末端受力；所述串联机构结构参数包括各杆件长度；

根据所述末端负载特性以及所述串联机构结构参数，利用动力学仿真软件，确定液压串联机构中各关节的旋转型负载特性；所述旋转型负载特性包括关节力矩以及关节转速；

建立各个关节中相邻两杆件之间的固定坐标系以及关节全局坐标系，并基于所述固定坐标系以及所述关节全局坐标系确定各个关节的铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系；

基于所述铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系，根据所述旋转型负载特性及所述关节驱动力臂计算各个关节的直线型负载特性；所述直线型负载特性包括液压缸出力以及液压缸速度；

根据所述直线型负载特性，计算各个关节的液压缸结构参数以及液压油源流量；所述液压缸结构参数包括液压缸有杆腔面积、液压缸无杆腔面积、液压缸有杆腔面积与无杆腔面积的面积比；

根据所述液压缸结构参数和所述液压油源流量，确定液压串联机构关节铰点位置的轻量化指标；

以所述轻量化指标为适应度函数，采用优化算法，求解所述轻量化指标最小时所对应的串联机构各关节的铰点坐标。

可选的，所述根据所述末端负载特性以及所述串联机构结构参数，利用动力学仿真软件，确定液压串联机构中各关节的旋转型负载特性，具体包括：

根据所述串联机构结构参数建立串联机构的三维模型；

根据所述三维模型，利用动力学仿真软件，建立串联机构的动力学仿真模型；

根据所述动力学仿真模型，添加串联机构末端负载特性，确定串联机构中各关节的旋转型负载特性。

可选的，所述建立各个关节中相邻两杆件之间的固定坐标系以及关节全局坐标系，并基于所述固定坐标系以及所述关节全局坐标系确定各关节的铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系，具体包括：

根据所述串联机构结构参数，建立各关节相邻两杆件之间的固定坐标系和关节全局坐标系；

根据所述串联机构结构参数，设定各关节液压缸的铰点坐标，并确定铰点坐标的边界；

基于所述固定坐标系和所述关节全局坐标系，根据所述铰点坐标的边界，结合串联机构运动学，确定各关节铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂三者之间的关系为：

b

其中，b

可选的，所述基于所述铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系，根据所述旋转型负载特性及所述关节驱动力臂计算各个关节的直线型负载特性，具体包括：

根据所述旋转型负载特性中的关节力矩和所述关节驱动力臂确定串联机构第i个关节的直线型负载特性中的液压缸出力：

其中，F

根据所述旋转型负载特性中的关节转速和所述关节驱动力臂，确定串联机构第i个关节直线型负载特性中的液压缸速度：

V

V

可选的，所述根据所述直线型负载特性，计算各个关节的液压缸结构参数以及液压油源流量，具体包括：

根据实际液压油源系统确定液压油源系统的压力和回油背压；

根据所述直线型负载特性，确定各关节直线型四象限负载轨迹；

根据所述各关节直线型四象限负载轨迹，利用液压动力机构与负载轨迹匹配方法，分别计算各个关节的液压缸结构参数和液压控制阀通油面积；所述液压缸结构参数包括液压缸有杆腔面积、液压缸无杆腔面积、以及所述液压缸有杆腔面积与所述液压缸无杆腔面积的面积比；

根据所述液压缸速度以及所述液压控制阀通油面积计算各个关节的液压缸所需流量：

其中，Q

根据所述液压缸所需流量计算串联机构液压油源流量：

其中，Q为串联机构液压油源流量；N为串联机构关节数。

可选的，所述根据所述液压缸结构参数和所述液压油源流量，确定液压串联机构关节铰点位置的轻量化指标，具体包括：

所述液压串联机构关节铰点位置优化的轻量化指标为

其中，M

可选的，所述以所述轻量化指标为适应度函数，采用优化算法，求解所述轻量化指标最小时所对应的串联机构各关节的铰点坐标，具体包括：

根据所述轻量化指标、各个所述关节液压缸质量和所述液压油源流量确定液压串联机构关节铰点位置优化的适应度函数：

F＝J

采用优化算法，根据所述适应度函数，求解最小适应度函数值对应的串联机构各关节的铰点坐标。

一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化系统，包括：

参数获取模块，用于获取液压串联机构末端的末端负载特性以及串联机构结构参数；所述末端负载特性包括末端速度和末端受力；所述串联机构结构参数包括各杆件长度；

旋转型负载特性确定模块，用于根据所述末端负载特性以及所述串联机构结构参数，利用动力学仿真软件，确定液压串联机构中各关节的旋转型负载特性；所述旋转型负载特性包括关节力矩以及关节转速；

铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系确定模块，用于建立各个关节中相邻两杆件之间的固定坐标系以及关节全局坐标系，并基于所述固定坐标系以及所述关节全局坐标系确定各个关节的铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系；

直线型负载特性确定模块，用于基于所述铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系，根据所述旋转型负载特性及所述关节驱动力臂计算各个关节的直线型负载特性；所述直线型负载特性包括液压缸出力以及液压缸速度；

液压缸结构参数以及液压油源流量计算模块，用于根据所述直线型负载特性，计算各个关节的液压缸结构参数以及液压油源流量；所述液压缸结构参数包括液压缸有杆腔面积、液压缸无杆腔面积、液压缸有杆腔面积与无杆腔面积的面积比；

轻量化指标确定模块，用于根据所述液压缸结构参数和所述液压油源流量，确定液压串联机构关节铰点位置的轻量化指标；

铰点坐标求解模块，用于以所述轻量化指标为适应度函数，采用优化算法，求解所述轻量化指标最小时所对应的串联机构各关节的铰点坐标。

可选的，所述旋转型负载特性模块，具体包括：

三维模型建立单元，用于根据所述串联机构结构参数建立串联机构的三维模型；

动力学仿真模型建立单元，用于根据所述三维模型，利用动力学仿真软件，建立串联机构的动力学仿真模型；

旋转型负载特性确定单元，用于根据所述动力学仿真模型，添加串联机构末端负载特性，确定串联机构中各关节的旋转型负载特性。

可选的，所述铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系确定模块，具体包括：

固定坐标系以及关节全局坐标系建立单元，用于根据所述串联机构结构参数，建立各关节相邻两杆件之间的固定坐标系和关节全局坐标系；

铰点坐标的边界确定单元，用于根据所述串联机构结构参数，设定各关节液压缸的铰点坐标，并确定铰点坐标的边界；

铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系确定单元，用于基于所述固定坐标系和所述关节全局坐标系，根据所述铰点坐标的边界，结合串联机构运动学，确定各关节铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂三者之间的关系为：

b

其中，b

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法及系统，设计了串联机构液压系统的轻量化指标，该轻量化指标中包含各关节液压缸质量和液压油源质量，根据该轻量化指标，利用优化算法，可得到轻量化指标值最小(即：表征串联机构液压系统质量最小)情况下的串联机构各关节铰点位置，避免了传统试凑调整法优化目标不明确、铰点位置非最优的缺点，以实现选择的关节铰点位置能够使得串联机构的整体重量最轻。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明所提供的基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法流程图；

图2为N自由度液压驱动串联机构结构及其坐标示意图；

图3为单腿纵摆2自由度液压足式机器人6km/h对角小跑工况下足端轨迹图；

图4为液压足式机器人6km/h对角小跑工况下腿部髋关节旋转型负载轨迹图；

图5为液压足式机器人6km/h对角小跑工况下腿部膝关节旋转型负载轨迹图；

图6为以轻量化指标为优化算法适应度函数的收敛曲线图；

图7为优化算法收敛后机器人腿部髋关节直线型负载轨迹及负载匹配图；

图8为优化算法收敛后机器人腿部膝关节直线型负载轨迹及负载匹配图；

图9为本发明所提供的基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化系统结构图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法及系统，免了传统试凑调整法优化目标不明确、铰点位置非最优的缺点，以实现选择的关节铰点位置能够使得串联机构的整体重量最轻。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法流程图，如图1所示，一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化方法，包括：

步骤100：获取液压串联机构末端的末端负载特性以及串联机构结构参数，并根据所述末端负载特性以及所述串联机构结构参数，利用动力学仿真软件，确定液压串联机构中各关节的旋转型负载特性。

具体过程如下：

Step 1：根据串联机构结构参数，建立串联机构的三维模型。

Step 2：根据串联机构的三维模型，利用动力学仿真软件，建立串联机构的动力学仿真模型。

Step 3：根据串联机构的动力学仿真模型，添加串联机构末端负载特性，确定串联机构各关节旋转型负载特性(包括各关节力矩τ

步骤200：建立各个关节中相邻两杆件之间的固定坐标系以及关节全局坐标系，并基于所述固定坐标系以及所述关节全局坐标系确定各个关节的铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系；

具体过程如下：

Step 1：根据串联机构结构参数，建立各关节相邻两杆件的固定坐标系和关节全局坐标系，如图2所示；

图2中，i∈[1,N]表示串联机构关节数，O

Step 2：根据串联机构结构参数，设定各关节液压缸的铰点坐标，并确定铰点坐标的边界；

式(1)-(2)中：w

Step 3：根据所述各关节相邻两杆件的固定坐标系和关节全局坐标系，结合串联机构运动学，推导各关节铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂三者间的关系。x′

x′

x′

结合式(3)-(5)，x′

式(3)-(6)中：s

根据式(6)，串联机构第i个关节液压缸第二个铰点位置P

由于串联机构第i个关节x′

|P

根据式(10)，计算串联机构第i个关节液压缸行程为

L

式(11)中：L

串联机构第i个关节液压缸与相邻杆件构成的三角形为ΔO

同理，根据P

根据式(10)和式(12)-(13)，结合余弦定理，计算串联机构第i个关节的β

根据式(12)和式(14)，计算串联机构第i个关节驱动力臂为

b

由以上推导计算可知，式(8)-(15)描述了串联机构第i个关节的铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂三者间的关系，其中，第i个关节铰点坐标在x′

步骤300：基于所述铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系，根据所述旋转型负载特性及所述关节驱动力臂计算各个关节的直线型负载特性。

具体过程如下：

Step 1：根据步骤100Step 3得到的各关节旋转型负载特性中的转矩和关节驱动力臂，即式(15)，确定串联机构第i个关节直线型负载特性中的液压缸出力为

Step 2：根据步骤100Step 3得到的各关节旋转型负载特性中的转速和关节驱动力臂，即式(15)，确定串联机构第i个关节直线型负载特性中的液压缸速度为

V

步骤400：根据所述直线型负载特性，计算各个关节的液压缸结构参数以及液压油源流量。

具体过程如下：

Step 1：根据实际液压油源系统，确定液压油源系统压力为P

Step 2：根据式(16)-(17)描述的各关节直线型负载特性，画出各关节直线型四象限负载轨迹，其中横坐标轴为力，纵坐标轴为速度；

Step 3：根据各关节直线型四象限负载轨迹，利用液压动力机构与负载轨迹匹配方法，分别计算各关节液压缸结构参数和液压控制阀通油面积；

所述液压动力机构与负载轨迹匹配方法，可根据实际系统的不同需求，采用不同的匹配方法计算液压缸结构参数和液压控制阀通油面积，由于负载匹配方法不是本发明的重点，仅列举两种如下：

①在直线型四象限负载轨迹中第一象限的负载最大功率点，取负载压力等于三分之二倍液压油源系统压力，液压控制阀口压降等于三分之一倍液压油源系统压力，并结合第三象限的最大力/速度点，计算液压缸结构参数和液压控制阀通油面积；

②通过直线型四象限负载轨迹中第一、三象限的最大力和最大速度点，计算液压缸结构参数和液压控制阀通油面积；

通过Step 3计算串联机构各关节液压缸无杆腔面积为A

Step 4：根据各关节直线型负载特性中的液压缸速度(式(17)所示)、液压缸无杆腔面积A

根据式(18)，计算串联机构液压油源流量为

步骤500：根据所述液压缸结构参数和所述液压油源流量，确定液压串联机构关节铰点位置的轻量化指标。

具体过程如下：

Step 1：根据各关节液压缸结构参数和液压油源流量，即式(19)，确定所述液压串联机构关节铰点位置优化的轻量化指标为

其中

M

式(20)-(21)中：J

步骤600：以所述轻量化指标为适应度函数，采用优化算法，求解所述轻量化指标最小时所对应的串联机构各关节的铰点坐标。

具体过程如下：

Step 1：根据轻量指标、各关节液压缸质量和液压油源流量，即式(19)-(21)，确定液压串联机构关节铰点位置优化的适应度函数为

F＝J

Step 2：编写优化算法主程序，根据式(22)适应度函数，求解最小适应度函数值对应的串联机构各关节铰点坐标。

所述优化算法可采用粒子群算法、遗传算法、蚁群算法等，由于优化算法不是本发明的重点，所以不再赘述。

下面提供一个具体实施案例，进一步说明本发明的上述方案。

本具体实施案例为优化液压四足机器人腿部关节铰点坐标，该机器人单腿纵摆为2自由度，即N＝2，其中1表示髋关节，2表示膝关节，设机器人机体重130kg，单腿重13kg，机器人腿部结构参数l

步骤1，确定机器人腿部各关节旋转型负载特性。

1.1确定机器人足端轨迹。

本实施案例的工况为：机器人在平地以6km/h速度直线对角小跑，图3所示为该工况下机器人足端轨迹；

1.2确定机器人腿部髋/膝关节旋转型负载轨迹。

对机器人三维建模及搭建机器人动力学仿真模型，通过动力学仿真，得到如图4所示的机器人腿部髋关节旋转型负载轨迹和如图5所示的机器人腿部膝关节旋转型负载轨迹。

步骤2，建立机器人腿部髋/膝关节铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂三者间的关系。

2.1根据机器人腿部结构参数，建立机器人腿部髋/膝关节相邻两杆件的固定坐标系和全局坐标系，坐标的建立方式具体如图2所示，且图中N＝2。

2.2根据机器人腿部结构参数，设定机器人腿部髋/膝关节液压缸的铰点坐标，并确定铰点坐标的边界为

2.3根据式(3)-(15)，确定机器人腿部髋/膝关节驱动力臂为

式(25)中：|O

步骤3，确定机器人腿部髋/膝关节直线型负载特性。

3.1根据机器人腿部髋/膝关节旋转型负载特性中的转矩和髋/膝关节驱动力臂(式(25)所示)，确定机器人髋/膝关节直线型负载特性中的液压缸出力为

3.2根据机器人腿部髋/膝关节旋转型负载特性中的转速和髋/膝关节驱动力臂(式(25))，确定机器人髋/膝关节直线型负载特性中的液压缸速度为

步骤4，确定机器人腿部髋/膝关节液压缸结构参数及液压油源流量。

4.1根据实际液压油源系统，确定液压油源系统压力P

4.2根据机器人腿部髋/膝关节直线型负载特性，画出对应的直线型四象限负载轨迹，并通过步骤400Step3中的第二种液压动力机构与负载轨迹匹配方法，计算机器人腿部髋关节液压缸结构参数A

4.3根据机器人腿部髋/膝关节直线型负载特性中的液压缸速度(式(27)所示)、髋/膝关节液压缸无杆腔面积A

根据式(28)-(29)，计算机器人单腿液压油源流量为

Q＝Q

步骤5，确定机器人腿部关节铰点位置优化的轻量化指标。

根据机器人腿部髋/膝关节液压缸结构参数和单腿液压油源流量(式(30)所示)，确定机器人腿部关节铰点位置优化的轻量化指标为

J

其中

步骤6，求解轻量化指标值最小时，机器人腿部髋/膝关节液压缸铰点坐标。

6.1根据轻量指标、机器人腿部髋/膝关节液压缸质量和机器人单腿液压油源流量，即式(30)-(32)，确定机器人腿部关节铰点位置优化的适应度函数为

F＝J

6.2采用粒子群算法作为优化算法，并编写其主程序，根据式(33)所示适应度函数，求解得到最小适应度函数值对应的机器人腿部髋关节铰点坐标为

通过以上步骤，在机器人腿部关节铰点位置优化的轻量化指标下，可以获得机器人腿部髋/膝关节液压缸最优的铰点坐标，图7所示为在最优髋关节液压缸铰点坐标下的机器人腿部髋关节直线型负载轨迹及负载匹配图，图8所示为在最优膝关节液压缸铰点坐标下的机器人腿部膝关节直线型负载轨迹及负载匹配图。

图9为本发明所提供的基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化系统结构图，如图9所示，一种基于轻量化的液压串联机构关节铰点位置优化系统，包括：

参数获取模块901，用于获取液压串联机构末端的末端负载特性以及串联机构结构参数；所述末端负载特性包括....；所述串联机构结构参数包括.....。

旋转型负载特性确定模块902，用于根据所述末端负载特性以及所述串联机构结构参数，利用动力学仿真软件，确定液压串联机构中各关节的旋转型负载特性；所述旋转型负载特性包括关节力矩以及关节转速。

铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系确定模块903，用于建立各个关节中相邻两杆件之间的固定坐标系以及关节全局坐标系，并基于所述固定坐标系以及所述关节全局坐标系确定各个关节的铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系。

直线型负载特性确定模块904，用于基于所述铰点坐标、关节转角和关节驱动力臂之间的关系，根据所述旋转型负载特性及所述关节驱动力臂计算各个关节的直线型负载特性；所述直线型负载特性包括液压缸出力以及液压缸速度。

液压缸结构参数以及液压油源流量计算模块905，用于根据所述直线型负载特性，计算各个关节的液压缸结构参数以及液压油源流量；所述液压缸结构参数包括液压缸有杆腔面积、液压缸无杆腔面积、液压缸有杆腔面积与无杆腔面积的面积比。

轻量化指标确定模块906，用于根据所述液压缸结构参数和所述液压油源流量，确定液压串联机构关节铰点位置的轻量化指标。

铰点坐标求解模块907，用于以所述轻量化指标为适应度函数，采用优化算法，求解所述轻量化指标最小时所对应的串联机构各关节的铰点坐标。

本发明适用于关节采用液压缸驱动的串联机构，可用于该型机构关节铰点位置的优化。而且，本发明设计了串联机构液压系统的轻量化指标，指标中包含各关节液压缸质量和液压油源质量，根据该轻量化指标，利用优化算法，可得到轻量化指标值最小(表征串联机构液压系统质量最小)情况下的串联机构各关节铰点位置，避免了传统试凑调整法优化目标不明确、铰点位置非最优的缺点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。