本發(fā)明屬于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)，更具體地，涉及一種2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、機(jī)器人工作空間的大小主要是由機(jī)器人工作需求決定的，對(duì)于串聯(lián)機(jī)器人來(lái)說(shuō)在工作空間滿足實(shí)際需求的情況下，進(jìn)行機(jī)器人參數(shù)優(yōu)化能夠提高機(jī)器人的空間可達(dá)性，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加緊湊，減輕機(jī)器人的重量，降低制造成本。而優(yōu)化后的工作空間利用率更高，更貼合實(shí)際工作需求。

2、2024年，傘紅軍等人對(duì)delta并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過建立包絡(luò)懲罰函數(shù)，采用多元非線性擬合與線性加權(quán)組合法得到運(yùn)動(dòng)學(xué)性能評(píng)價(jià)函數(shù)，結(jié)合條件數(shù)分布特性和失真約束條件建立優(yōu)化模型，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。相較于優(yōu)化前，優(yōu)化后可達(dá)工作空間體積減小14.26％。2024年，許辰雨等人對(duì)新型4rpur并聯(lián)機(jī)器人使用woa算法進(jìn)行了參數(shù)尺寸綜合優(yōu)化，使工作空間邊界光滑、對(duì)稱分布。2024年，李振等使用粒子群算法對(duì)并聯(lián)機(jī)器腿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)開展了優(yōu)化研究，優(yōu)化后的機(jī)械腿工作空間體積增大了69.83％。2014年甘屹等人在給定工作空間的情況下，利用遺傳算法對(duì)6r型機(jī)器人的d-h參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了滿足約束條件且使機(jī)器人連桿長(zhǎng)度最小的最優(yōu)解。2021年，胡旺寧運(yùn)用遺傳算法對(duì)puma型弧焊機(jī)器人的臂長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，從而優(yōu)化機(jī)器人的工作空間，優(yōu)化率達(dá)5.5％。

3、學(xué)者們針對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)開展了較多的優(yōu)化研究，擴(kuò)大或縮小了機(jī)器人的工作空間，優(yōu)化后的機(jī)器人構(gòu)型能夠更好地服務(wù)于應(yīng)用場(chǎng)景。隨著海洋裝備的高速發(fā)展，大型螺旋槳的高效高質(zhì)加工需求日益增長(zhǎng)，2-rpr型串聯(lián)機(jī)器人憑借著本體高剛度的優(yōu)勢(shì)，成為大型螺旋槳高效高質(zhì)機(jī)器人銑削加工的有效解決方案。由于該構(gòu)型由本體六軸串聯(lián)與雙電缸的支鏈結(jié)構(gòu)組成，連桿參數(shù)與支鏈參數(shù)往往存在冗余，該構(gòu)型還存在特有的由于電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的障礙空間，該障礙空間會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人工作空間受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及設(shè)備，其旨在解決2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的連桿參數(shù)及支鏈參數(shù)存在冗余的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟：

3、(1)將2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的二關(guān)節(jié)處坐標(biāo)點(diǎn)、電動(dòng)缸下鉸點(diǎn)、兩個(gè)極限位置對(duì)應(yīng)的電動(dòng)缸上鉸點(diǎn)依次連線以得到機(jī)器人的障礙空間；其中，機(jī)器人的障礙空間為機(jī)器人末端在理論上能到達(dá)且在實(shí)際使用中不允許到達(dá)的電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)區(qū)域；

4、(2)判斷機(jī)器人的工作空間是否包絡(luò)機(jī)器人的目標(biāo)工作空間，進(jìn)而判斷機(jī)器人的目標(biāo)工作空間與機(jī)器人的障礙空間是否重合，根據(jù)兩個(gè)判斷結(jié)果來(lái)確定系數(shù)k；

5、(3)采用遺傳算法對(duì)2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的連桿參數(shù)及支鏈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；其中，所述遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)為：

6、fi'＝max{f1,f2,…,fn}-fi+rand()i＝1,2,…,j

7、式中，j為種群數(shù)量，fi＝k*(ω1a2+ω2a3+ω3d4+ω4c1+ω5e1)，ω1,ω2,ω3,ω4,ω5分別為種群i對(duì)應(yīng)的五個(gè)優(yōu)化變量a2、a3、d4、c1、e1的權(quán)重。

8、進(jìn)一步地，若機(jī)器人的工作空間包絡(luò)機(jī)器人的目標(biāo)工作空間，且機(jī)器人的目標(biāo)工作空間與機(jī)器人的障礙空間不重合，則確定系數(shù)k為1；否則確定系數(shù)k為1.5。

9、進(jìn)一步地，判斷機(jī)器人的工作空間是否包絡(luò)機(jī)器人的目標(biāo)工作空間時(shí)，截取機(jī)器人工作空間中y＝0、z＝d1和z＝d2這三個(gè)平面進(jìn)行判斷即可。

10、進(jìn)一步地，對(duì)于y＝0截面：從截面最右端的點(diǎn)出發(fā)，即x坐標(biāo)最大的點(diǎn)xmax，記錄該點(diǎn)坐標(biāo)為(xmax,z0)，接著在z坐標(biāo)在范圍(z0-h/2,z0+h/2)且x坐標(biāo)小于xmax-l/2內(nèi)工作空間所有點(diǎn)中尋找x坐標(biāo)最大的點(diǎn)，記錄該點(diǎn)的x坐標(biāo)的值x0，此時(shí)就確定了目標(biāo)工作空間在該截面的最佳位置，四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別是a(x0,z0+h/2)，b(x0,z0-h/2),c(x0+l,z0-h/2),d(x0+l,z0+h/2)，由于ab兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)的值是工作空間左邊輪廓凹點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，因此ab形成的線段必定包含在機(jī)器人工作空間內(nèi)，而cd兩點(diǎn)則需要進(jìn)行判斷，尋找橫坐標(biāo)為x0+l/2下的工作空間的點(diǎn)的縱坐標(biāo)是否同時(shí)存在小于c點(diǎn)縱坐標(biāo)和大于d點(diǎn)縱坐標(biāo)的點(diǎn)，若均存在點(diǎn)滿足要求，說(shuō)明cd形成的線段也必定包含在機(jī)器人工作空間內(nèi)，這就意味著由abcd四點(diǎn)形成的矩形包含在機(jī)器人工作空間內(nèi)。

11、進(jìn)一步地，根據(jù)機(jī)器障礙空間的截面頂點(diǎn)坐標(biāo)及目標(biāo)工作空間的頂點(diǎn)坐標(biāo)的形狀特點(diǎn)，僅需在y＝0截面處判斷目標(biāo)工作空間中的b點(diǎn)是否在障礙空間內(nèi)即可。

12、進(jìn)一步地，將2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的各連桿的變換矩陣順序相乘以得到末端連桿坐標(biāo)系n相對(duì)于基坐標(biāo)系0的相對(duì)變換矩陣，再將隨機(jī)關(guān)節(jié)變量代入得到的相對(duì)變換矩陣，繼而得到機(jī)器人的工作空間。

13、進(jìn)一步地，根據(jù)2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型建立機(jī)器人各連桿的坐標(biāo)系，根據(jù)各連桿的坐標(biāo)系確定連桿參數(shù)，再將各連桿的變換矩陣順序相乘以得到末端連桿坐標(biāo)系n相對(duì)于極坐標(biāo)系0的相對(duì)變換矩陣，將隨機(jī)函數(shù)rand()產(chǎn)生的隨機(jī)關(guān)節(jié)變量代入得到的相對(duì)變換矩陣，以得到機(jī)器人末端的坐標(biāo)集合{p|p(x,y,z)}，繼而得到機(jī)器人的工作空間。

14、進(jìn)一步地，使用隨機(jī)函數(shù)rand()產(chǎn)生隨機(jī)關(guān)節(jié)變量：

15、

16、式中，q為關(guān)節(jié)隨機(jī)變量；qmax和qmin分別是關(guān)節(jié)角上下限；i＝1,…,n，n為機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)。

17、本發(fā)明還提供了一種2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行如上所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

18、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)如上所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

19、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及設(shè)備主要具有以下有益效果：

20、1.本發(fā)明基于工作空間可行性判斷結(jié)果及遺傳算法對(duì)用于大型螺旋槳加工的2-rpr機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及支鏈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，考慮了由電動(dòng)缸構(gòu)型導(dǎo)致的障礙工作空間因素，得到在工作空間滿足需求的前提下，連桿長(zhǎng)度更優(yōu)、支鏈布置更優(yōu)的機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)，支鏈結(jié)構(gòu)緊湊。

21、2.由于該機(jī)器人用于加工大型螺旋槳葉片，因此各參數(shù)的值比較大，此時(shí)適應(yīng)度f(wàn)的值也會(huì)很大，會(huì)導(dǎo)致不同個(gè)體之間的差異被相對(duì)減弱，無(wú)法發(fā)揮輪盤賭選擇的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而對(duì)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以發(fā)揮選擇優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)特征：

1.一種2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：若機(jī)器人的工作空間包絡(luò)機(jī)器人的目標(biāo)工作空間，且機(jī)器人的目標(biāo)工作空間與機(jī)器人的障礙空間不重合，則確定系數(shù)k為1；否則確定系數(shù)k為1.5。

3.如權(quán)利要求1所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：判斷機(jī)器人的工作空間是否包絡(luò)機(jī)器人的目標(biāo)工作空間時(shí)，截取機(jī)器人工作空間中y＝0、z＝d1和z＝d2這三個(gè)平面進(jìn)行判斷即可。

4.如權(quán)利要求3所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：對(duì)于y＝0截面：從截面最右端的點(diǎn)出發(fā)，即x坐標(biāo)最大的點(diǎn)xmax，記錄該點(diǎn)坐標(biāo)為(xmax,z0)，接著在z坐標(biāo)在范圍(z0-h/2,z0+h/2)且x坐標(biāo)小于xmax-l/2內(nèi)工作空間所有點(diǎn)中尋找x坐標(biāo)最大的點(diǎn)，記錄該點(diǎn)的x坐標(biāo)的值x0，此時(shí)就確定了目標(biāo)工作空間在該截面的最佳位置，四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別是a(x0,z0+h/2)，b(x0,z0-h/2),c(x0+l,z0-h/2),d(x0+l,z0+h/2)，由于ab兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)的值是工作空間左邊輪廓凹點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，因此ab形成的線段必定包含在機(jī)器人工作空間內(nèi)，而cd兩點(diǎn)則需要進(jìn)行判斷，尋找橫坐標(biāo)為x0+l/2下的工作空間的點(diǎn)的縱坐標(biāo)是否同時(shí)存在小于c點(diǎn)縱坐標(biāo)和大于d點(diǎn)縱坐標(biāo)的點(diǎn)，若均存在點(diǎn)滿足要求，說(shuō)明cd形成的線段也必定包含在機(jī)器人工作空間內(nèi)，這就意味著由abcd四點(diǎn)形成的矩形包含在機(jī)器人工作空間內(nèi)。

5.如權(quán)利要求4所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：根據(jù)機(jī)器障礙空間的截面頂點(diǎn)坐標(biāo)及目標(biāo)工作空間的頂點(diǎn)坐標(biāo)的形狀特點(diǎn)，僅需在y＝0截面處判斷目標(biāo)工作空間中的b點(diǎn)是否在障礙空間內(nèi)即可。

6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：將2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的各連桿的變換矩陣順序相乘以得到末端連桿坐標(biāo)系n相對(duì)于基坐標(biāo)系0的相對(duì)變換矩陣，再將隨機(jī)關(guān)節(jié)變量代入得到的相對(duì)變換矩陣，繼而得到機(jī)器人的工作空間。

7.如權(quán)利要求6所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：根據(jù)2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型建立機(jī)器人各連桿的坐標(biāo)系，根據(jù)各連桿的坐標(biāo)系確定連桿參數(shù)，再將各連桿的變換矩陣順序相乘以得到末端連桿坐標(biāo)系n相對(duì)于極坐標(biāo)系0的相對(duì)變換矩陣，將隨機(jī)函數(shù)rand()產(chǎn)生的隨機(jī)關(guān)節(jié)變量代入得到的相對(duì)變換矩陣，以得到機(jī)器人末端的坐標(biāo)集合{p|p(x,y,z)}，繼而得到機(jī)器人的工作空間。

8.如權(quán)利要求1所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：使用隨機(jī)函數(shù)rand()產(chǎn)生隨機(jī)關(guān)節(jié)變量：

9.一種2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的2-rpr串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種2?RPR串聯(lián)機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及設(shè)備，步驟為：(1)將2?RPR串聯(lián)機(jī)器人的二關(guān)節(jié)處坐標(biāo)點(diǎn)、電動(dòng)缸下鉸點(diǎn)、兩個(gè)極限位置對(duì)應(yīng)的電動(dòng)缸上鉸點(diǎn)依次連線以得到機(jī)器人的障礙空間；機(jī)器人的障礙空間為機(jī)器人末端在理論上能到達(dá)且在實(shí)際使用中不允許到達(dá)的電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)區(qū)域；(2)判斷機(jī)器人的工作空間是否包絡(luò)機(jī)器人的目標(biāo)工作空間，進(jìn)而判斷機(jī)器人的目標(biāo)工作空間與機(jī)器人的障礙空間是否重合，根據(jù)兩個(gè)判斷結(jié)果來(lái)確定系數(shù)k；(3)采用遺傳算法對(duì)2?RPR串聯(lián)機(jī)器人的連桿參數(shù)及支鏈參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明得到了在工作空間滿足需求的前提下，連桿長(zhǎng)度更優(yōu)、支鏈布置更優(yōu)的機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：辛世豪,梁浩鵬,鐘鳴,唐小衛(wèi),閆蓉,彭芳瑜
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2