本發(fā)明涉及一種管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

本發(fā)明申請(qǐng)人在2012.05.17申請(qǐng)了“管外行走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工作方法”的發(fā)明專利，專利號(hào)ZL 201210164627.1，授權(quán)公告號(hào)CN102700643B，該專利在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用了抱緊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的夾緊。由于管外行走機(jī)器人主要服務(wù)于各種工業(yè)管道、民用管道、大橋斜拉索、電纜等圓柱型體的質(zhì)量檢測、維護(hù)修復(fù)等作業(yè)，所以抱緊機(jī)構(gòu)的外形尺寸不能設(shè)計(jì)得很大，而且要求有足夠的夾緊力，各個(gè)支點(diǎn)間相隔要盡量均勻，能保證順利夾緊或松開工作管道，具有較好傳動(dòng)效率及各構(gòu)件不能發(fā)生干涉等。因此如何在有限的結(jié)構(gòu)空間和有限的驅(qū)動(dòng)裝置行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)上述抱緊機(jī)構(gòu)要求，是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，是為解決上述問題而發(fā)明一種管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)。

本發(fā)明同時(shí)提供這種管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)位置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)是一種演化的四連桿機(jī)構(gòu)，該四連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是：在車體架上固定安裝一個(gè)直線電機(jī)體，直線電機(jī)體的芯部是一根螺桿軸，螺桿軸與車體架呈垂直關(guān)系，螺桿軸的輸出端下部安裝有驅(qū)動(dòng)盤，驅(qū)動(dòng)盤頂部套上連桿架，連桿架上左右兩端對(duì)稱鉸接有連桿，兩個(gè)連桿的外端分別鉸接上行走滾輪支架，每個(gè)行走滾輪支架的上端各自鉸接在車體架上；行走滾輪支架上安裝有旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)行走滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)；兩個(gè)行走滾輪的安裝軸線呈八字形對(duì)稱布置，當(dāng)直線電機(jī)體驅(qū)動(dòng)螺桿軸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿架推動(dòng)兩個(gè)連桿向外張開，進(jìn)而推著左右行走滾輪支架向外張開，使行走滾輪松開管道，反之，則左右行走滾輪支架向內(nèi)合攏，使行走滾輪抱緊管道。

為滿足上述管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)對(duì)空間緊湊、有足夠夾緊力，各個(gè)支點(diǎn)間相隔要盡量均勻，能保證順利夾緊或松開工作管道，具有較好傳動(dòng)效率及各構(gòu)件不能發(fā)生干涉等要求，本發(fā)明提供了一種上述管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其步驟如下：

第一步、確定設(shè)計(jì)變量及其它參數(shù)的選取

由于抱緊機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，故分析其左側(cè)即可，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理抽象。

設(shè)左行走滾輪支架上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)為C，驅(qū)動(dòng)盤沿螺桿軸的上移端點(diǎn)為M、驅(qū)動(dòng)盤沿螺桿軸的下移端點(diǎn)為M’；

取夾緊狀態(tài)下連桿架鉸鏈支座的中心點(diǎn)J到螺桿軸的垂直距離JM長度為設(shè)計(jì)變量x₁，單位：m；

取夾緊狀態(tài)下連桿架鉸鏈支座的中心點(diǎn)J到左行走滾輪支架下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B間的距離JB長度為設(shè)計(jì)變量x₂，單位：m；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到螺桿軸的垂直距離CL長度為設(shè)計(jì)變量x₃，單位：m；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到左行走滾輪支架下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B間的距離CB長度為設(shè)計(jì)變量x₄，單位：m；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到左行走滾輪支架拐點(diǎn)A的距離CA長度為設(shè)計(jì)變量x₅，單位：m；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架拐點(diǎn)A到夾持點(diǎn)I間的距離AI長度為設(shè)計(jì)變量x₆，單位：m；

取夾緊狀態(tài)下∠CAI為x₇，單位：度；

故抱緊機(jī)構(gòu)有7個(gè)設(shè)計(jì)變量，即：

X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇]^T (1)

第二步、根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求確定x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇的取值范圍并進(jìn)行隨機(jī)初始化賦值：

x₁∈[0.01,0.04]

x₂∈[0.05,0.08]

x₃＝[0.03,0.05]

x₄∈[0.09,0.12]

x₅∈[0.09,0.15]

x₆∈[0.04,0.07]

x₇∈[120°,160°] (2)

第三步、當(dāng)抱緊機(jī)構(gòu)夾緊時(shí)，建立力學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型：

M_C(F₁)＝CS·F₁＝x₄·sinα·F/2·sinβ (3)

M_C(F_N)＝-CP·F_N＝-(x₆-x₅cosx₇)·F_N (4)

式中：

F為直線電機(jī)體的額定推力，單位：N；

F₁為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B所受的拉力，單位：N；

F_N為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架夾持點(diǎn)I處產(chǎn)生的夾緊力，單位：N；

M_C(F₁)為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B所受的拉力F₁對(duì)C點(diǎn)的矩，單位：N·M；

M_C(F_N)為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架夾持點(diǎn)I處產(chǎn)生的夾緊力F_N對(duì)C點(diǎn)的矩，單位：N·M；

CS為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到行走滾輪支架下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B所受的拉力方向線的垂直距離，單位：m；

CP點(diǎn)為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到夾持點(diǎn)I處產(chǎn)生的夾緊力F_N方向線的垂直距離，單位：m；

α＝∠CBJ、β＝∠JBM'都是因變量，單位：度，可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得；

第四步、根據(jù)直線電機(jī)體安裝空間，各構(gòu)件的安裝空間，夾緊時(shí)保證左滾輪及支撐輪在管道外呈120°左右分布，左行走滾輪支架張開時(shí)左滾輪能夠順利取出管道、不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉等要求，確定設(shè)計(jì)變量的約束函數(shù)如下：

(1)各個(gè)構(gòu)件在安裝、運(yùn)動(dòng)過程中不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，應(yīng)滿足以下要求：

x₁+x₂>x₃

x₄<0.9·x₅

20°≤α≤40°

λ+δ≥100° (5)

式中:α＝∠CBJ、λ＝∠BCJ、δ＝∠JCL都是因變量，單位：度，可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得；

L為車體架下端面與螺桿軸的垂足。

(2)在抱緊機(jī)構(gòu)夾緊管道時(shí)，滾輪和支撐輪之間形成的夾角呈120°±10°分布，這樣能夠保證管外行走機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，所以IO與OT之間的夾角∠IOT應(yīng)滿足大于55°，小于65°，其中：O為管道的中心點(diǎn)；T為管道的下端點(diǎn)；用公式表示為：

λ＝∠BCJ、δ＝JCL、γ＝∠BCI都是因變量(單位:度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得。

(3)左行走滾輪支架的末端要與管道相切，這樣能夠保證管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)提供最大的夾緊力。

式中：λ＝∠BCJ、δ＝JCL、γ＝∠BCI都是因變量(單位:度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得。

(4)當(dāng)連桿架與連桿共線時(shí)，抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)滿足抱緊機(jī)構(gòu)左行走滾輪支架最末端點(diǎn)I＇到螺桿軸的垂直距離I＇Z＇長度大于等于0.075m，從而保證左行走滾輪支架最末端點(diǎn)I＇能順利從管道取出。

式中：θ′＝∠B'CR'、γ′＝∠B'CI'都是因變量(單位:度)，可根據(jù)根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得。

B＇為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)左行走滾輪支架下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)；

R＇為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)過左行走滾輪支架上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C與連桿垂足；

I＇為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)左行走滾輪支架最末端點(diǎn)；

Z＇為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)左行走滾輪支架最末端點(diǎn)I＇與螺桿軸的垂足。

第五步、建立以直線電機(jī)體在夾緊狀態(tài)時(shí)抱緊機(jī)構(gòu)能夠?qū)艿喇a(chǎn)生最大的夾緊力為目標(biāo)函數(shù)：

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，抱緊機(jī)構(gòu)各部分要求盡量緊湊，所以

F₂(x)＝x₁+x₂+x₃+x₄+x₅+x₆ (10)

因此本問題可表示為多目標(biāo)函數(shù)：

f(x^*)＝min f(x)＝ω₁F₁(x)+ω₂F₂(x) (11)

式中：

F₁(x)為直線電機(jī)體提供的驅(qū)動(dòng)力與抱緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的夾緊力的比值；

F₂(x)為抱緊機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)尺寸之和。

f(x)為不同加權(quán)因子條件下，在夾緊狀態(tài)時(shí)直線電機(jī)體提供的驅(qū)動(dòng)力與抱緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的夾緊力的比值與抱緊機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)尺寸之和的總和；

ω₁,ω₂為加權(quán)因子；

f(x^*)表示多目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果是使得f(x)達(dá)到最小值，即，當(dāng)直線電機(jī)體提供某確定的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，抱緊機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大的夾緊力，同時(shí)兼顧抱緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為緊湊；

第六步、根據(jù)設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)、抱緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)編制優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，采用有約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，直至達(dá)到期望的優(yōu)化值；

第七步、輸出優(yōu)化計(jì)算結(jié)果及其運(yùn)動(dòng)仿真圖形。

第八步、按照上述第1-7步驟優(yōu)化設(shè)計(jì)出抱緊機(jī)構(gòu)右側(cè)的參數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同工作參數(shù)需要，快速獲得最佳的各個(gè)設(shè)計(jì)變量的參數(shù)值，以使得管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，輸出夾緊力大，傳動(dòng)效率高，不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，能保證抱緊機(jī)構(gòu)的各支點(diǎn)間相隔均勻，及抱緊機(jī)構(gòu)順利夾緊或松開工作管道。

附圖說明

下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是管外行走機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。

圖2是管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

圖3是抱緊機(jī)構(gòu)夾緊時(shí)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖4是左行走滾輪支架的力矩分析圖。

圖5是抱緊機(jī)構(gòu)張開最大角度時(shí)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖6是優(yōu)化程序運(yùn)行框圖

圖7是對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的運(yùn)動(dòng)仿真圖，顯示了本機(jī)構(gòu)在夾緊、張開過程的不同狀態(tài)的位置關(guān)系。

圖中：1—驅(qū)動(dòng)盤，2—連桿架，3—直線電機(jī)體，4—螺桿軸，5—左旋轉(zhuǎn)電機(jī)，5’—右旋轉(zhuǎn)電機(jī)，6—左行走滾輪支架，6’—右行走滾輪支架，7—左行走滾輪，7’—右行走滾輪，8—管道，9—左連桿，9’—右連桿，10—車體架，11—支撐輪。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，從圖2可以看出：它是在車體架10上固定安裝一個(gè)直線電機(jī)體3，直線電機(jī)體3的芯部是一根螺桿軸4，螺桿軸4與車體架10呈垂直關(guān)系，螺桿軸4的輸出端下部安裝有驅(qū)動(dòng)盤1，驅(qū)動(dòng)盤1頂部套上連桿架2，連桿架2兩端對(duì)稱鉸接有左連桿9和右連桿9’，左連桿9和右連桿9’外端分別鉸接上左行走滾輪支架6和右行走滾輪支架6’，左行走滾輪支架6和右行走滾輪支架6’的上端各自鉸接在車體架10上；左行走滾輪支架6和右行走滾輪支架6’分別安裝有左旋轉(zhuǎn)電機(jī)5和右旋轉(zhuǎn)電機(jī)5’帶動(dòng)左行走滾輪7和右行走滾輪7’轉(zhuǎn)動(dòng)；左行走滾輪7和右行走滾輪7’的安裝軸線呈八字形對(duì)稱布置，當(dāng)直線電機(jī)體3驅(qū)動(dòng)電機(jī)螺桿軸4向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿架2推動(dòng)左連桿9和右連桿9’向外張開，進(jìn)而推動(dòng)左行走滾輪7和右行走滾輪7’向外張開，使左、右行走滾輪7和7’松開管道8，反之，左右行走滾輪支架6和6’向內(nèi)合攏，使左、右行走滾輪7和7’抱緊管道8。

為滿足管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)對(duì)空間緊湊、有足夠夾緊力，各個(gè)支點(diǎn)間相隔要盡量均勻，能保證順利夾緊或松開工作管道8，具有較好傳動(dòng)效率及各構(gòu)件不能發(fā)生干涉等要求，本發(fā)明采用了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，

下面以具體實(shí)例并參照附圖3、4、5說明優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

1、確定設(shè)計(jì)變量及其它參數(shù)的選取

由于抱緊機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，故分析其左側(cè)即可，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理抽象。

設(shè)左行走滾輪支架6上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)為C，驅(qū)動(dòng)盤1沿螺桿軸4的上移端點(diǎn)為M、驅(qū)動(dòng)盤1沿螺桿軸4的下移端點(diǎn)為M’。

取夾緊狀態(tài)下連桿架2鉸鏈支座的中心點(diǎn)J到螺桿軸4的垂直距離JM長度為設(shè)計(jì)變量x₁(單位：m)；

取夾緊狀態(tài)下連桿架2鉸鏈支座的中心點(diǎn)J到左行走滾輪支架6下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B間的距離JB長度為設(shè)計(jì)變量x₂(單位：m)；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到螺桿軸4的垂直距離CL長度為設(shè)計(jì)變量x₃(單位：m)；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到左行走滾輪支架6下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B間的距離CB長度為設(shè)計(jì)變量x₄(單位：m)；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到左行走滾輪支架6拐點(diǎn)A的距離CA長度為設(shè)計(jì)變量x₅(單位：m)；

取夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6拐點(diǎn)A到夾持點(diǎn)I間的距離AI長度為設(shè)計(jì)變量x₆(單位：m)；

取夾緊狀態(tài)下∠CAI為x₇(單位：度)；

故抱緊機(jī)構(gòu)有7個(gè)設(shè)計(jì)變量，即：

X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇]^T (1)

2、根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求確定x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇的取值范圍并進(jìn)行隨機(jī)初始化賦值，(單位：m)(單位：度)：

x₁∈[0.01,0.04]

x₂∈[0.05,0.08]

x₃＝[0.03,0.05]

x₄∈[0.09,0.12]

x₅∈[0.09,0.15]

x₆∈[0.04,0.07]

x₇∈[120°,160°] (2)

3、當(dāng)抱緊機(jī)構(gòu)夾緊時(shí)，建立力學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型：

M_C(F₁)＝CS·F₁＝x₄·sinα·F/2·sinβ (3)

M_C(F_N)＝-CP·F_N＝-(x₆-x₅cosx₇)·F_N (4)

式中：

F為直線電機(jī)體3的額定推力(單位:N)；

F₁為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B所受的拉力(單位:N)；

F_N為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6夾持點(diǎn)I處產(chǎn)生的夾緊力(單位:N)；

M_C(F₁)為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B所受的拉力F₁對(duì)C點(diǎn)的矩(單位:N·M)；

M_C(F_N)為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6夾持點(diǎn)I處產(chǎn)生的夾緊力F_N對(duì)C點(diǎn)的矩(單位:N·M)；

CS為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到左行走滾輪支架6下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)B所受的拉力方向線的垂直距離(單位:m)；

CP點(diǎn)為夾緊狀態(tài)下左行走滾輪支架6上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C到夾持點(diǎn)I處產(chǎn)生的夾緊力F_N方向線的垂直距離(單位:m)；

α＝∠CBJ、β＝∠JBM'都是因變量(單位:度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得；

4、根據(jù)直線電機(jī)體3安裝空間，各構(gòu)件的安裝空間，夾緊時(shí)保證左右行走滾輪7和7’及支撐輪11在管道外呈120°左右分布，左行走滾輪支架6張開時(shí)左行走滾輪7能夠順利取出管道8、不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉等要求，確定設(shè)計(jì)變量的約束函數(shù)如下：

(1)各個(gè)構(gòu)件在安裝、運(yùn)動(dòng)過程中不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，應(yīng)滿足以下要求：

x₁+x₂>x₃

x₄<0.9·x₅

20°≤α≤40°

λ+δ≥100° (5)

式中:α＝∠CBJ、λ＝∠BCJ、δ＝JCL都是因變量(單位:度),可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得；

L為車體架10下端面與螺桿軸4的垂足。

(2)在抱緊機(jī)構(gòu)夾緊管道8時(shí)，左右行走滾輪7和7’和支撐輪11之間形成的夾角呈120°±10°分布，這樣能夠保證管外行走機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，所以IO與OT之間的夾角∠IOT應(yīng)滿足大于55°，小于65°。

O為管道8的中心點(diǎn)；

T為管道8的下端點(diǎn)；

λ＝∠BCJ、δ＝JCL、γ＝∠BCI都是因變量(單位:度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得。

(3)左行走滾輪支架6的末端要與管道8相切，這樣能夠保證管外行走機(jī)器人抱緊機(jī)構(gòu)提供最大的夾緊力。

式中：λ＝∠BCJ、δ＝JCL、γ＝∠BCI都是因變量(單位:度)，可根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得。

(4)當(dāng)連桿架2與左連桿9共線時(shí)，抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)滿足抱緊機(jī)構(gòu)的左行走滾輪支架夾持點(diǎn)I＇點(diǎn)到螺桿軸4的垂直距離I＇Z＇長度≥0.075m，從而保證行走滾輪支架夾持點(diǎn)I＇點(diǎn)能順利從管道取出。

式中：θ′＝∠B'CR'、γ'＝∠B'CI'都是因變量(單位:度)，可根據(jù)根據(jù)機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)變量及運(yùn)動(dòng)中的位置關(guān)系，利用幾何和三角函數(shù)知識(shí)編程求得。

B＇為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)左行走滾輪支架6下端鉸鏈支座的中心點(diǎn)；

R＇為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)左行走滾輪支架6上端鉸鏈支座的中心點(diǎn)C與連桿11垂足；

I＇為為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)左行走滾輪支架6的最末端點(diǎn)；

Z＇為抱緊機(jī)構(gòu)達(dá)到最大開合狀態(tài)時(shí)左行走滾輪支架6的最末端點(diǎn)與螺桿軸4的垂足。

5、建立以直線電機(jī)體3在夾緊狀態(tài)時(shí)抱緊機(jī)構(gòu)能夠?qū)艿喇a(chǎn)生最大的夾緊力為目標(biāo)函數(shù)：

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，抱緊機(jī)構(gòu)各部分要求盡量緊湊，所以

F₂(x)＝x₁+x₂+x₃+x₄+x₅+x₆ (10)

因此本問題可表示為多目標(biāo)函數(shù)：

f(x^*)＝min f(x)＝ω₁F₁(x)+ω₂F₂(x) (11)

式中：F₁(x)為直線電機(jī)體3驅(qū)動(dòng)力與抱緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的夾緊力的比值；

F₂(x)為抱緊機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)尺寸之和；

f(x)為不同加權(quán)因子條件下，在夾緊狀態(tài)時(shí)直線電機(jī)體提供的驅(qū)動(dòng)力與抱緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的夾緊力的比值與抱緊機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)尺寸之和的總和；

ω₁,ω₂為加權(quán)因子；

f(x^*)表示多目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果是使得f(x)達(dá)到最小值，即，當(dāng)直線電機(jī)體3提供某確定的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，抱緊機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大的夾緊力，同時(shí)兼顧抱緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為緊湊；

當(dāng)已知條件為：管道8的外部直徑為0.1m,其圓心O到車體架10下端面垂直距離LO長度為0.15m。驅(qū)動(dòng)盤1沿螺桿軸4上移端點(diǎn)到車體架10下端面的距離LM長度為0.05m，驅(qū)動(dòng)盤1沿螺桿軸4下移端點(diǎn)到車體架10下端面的距離LM’長度為0.09m時(shí)，對(duì)抱緊機(jī)構(gòu)按照上述方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：

首先，用計(jì)算機(jī)語言對(duì)上述發(fā)明內(nèi)容中所述的設(shè)計(jì)變量、約束函數(shù)、抱緊機(jī)構(gòu)夾緊狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型及目標(biāo)函數(shù)編制優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)程序，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)行。本優(yōu)化設(shè)計(jì)程序采用了一種有約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法-復(fù)合型優(yōu)化算法，該算法可見清華大學(xué)出版社出版的《機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)》中第五章中公開的方法。

計(jì)算機(jī)運(yùn)行優(yōu)化程序步驟如圖6所示。

經(jīng)計(jì)算，主要優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為：

x₁＝0.0328m；

x₂＝0.0646m；

x₃＝0.0471m；

x₄＝0.0966m；

x₅＝0.14m；

x₆＝0.069m；

x₇＝125°；

F₁(x)＝0.26

F₂(x)＝0.441

f(x^*)的解為0.291。

由于夾緊機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，所以右側(cè)的參數(shù)和左側(cè)一樣。

由以上設(shè)計(jì)方法獲得結(jié)果而設(shè)計(jì)的抱緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真圖形如圖7所示，顯示了本機(jī)構(gòu)的各點(diǎn)及其構(gòu)件在夾緊、張開過程中不同狀態(tài)時(shí)的位置關(guān)系。