移動服務(wù)機器人機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計及其優(yōu)化研究.pdf

1、隨著科技進步和社會的飛速發(fā)展，服務(wù)機器人在助老助殘、迎賓看護等方面的應(yīng)用越來越廣泛，與人類的接觸也越來越多，使人們從中受益良多。本文的主要目的是為移動服務(wù)機器人設(shè)計一款機械臂，并通過拓撲優(yōu)化和基于性能指標的尺寸優(yōu)化對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使其具有高剛度、輕質(zhì)量、運動靈活且平穩(wěn)的特點。
　　首先，根據(jù)設(shè)計指標和設(shè)計要求結(jié)合人體工程學(xué)理論確定設(shè)計準則，對機械臂的各種構(gòu)型進行分析，并以全局相對可操作度值為指標求得機械臂的最優(yōu)構(gòu)型。根據(jù)人體測量

2、學(xué)理論，確定機械臂的尺寸和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍，使其具有與人相似的靈活性。在此基礎(chǔ)上確定了驅(qū)動方式、計算并利用仿真求得驅(qū)動力，為驅(qū)動模塊的選型提供依據(jù)、確定了走線方式、完成了大小臂等連接桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并從拓撲輕量化和材料輕量化兩個途徑，實現(xiàn)大臂及整個機械臂的輕量化，完成了模塊化機械臂虛擬樣機的構(gòu)建，使其具有高剛度、輕質(zhì)量、運動靈活的特點。
　　其次，對移動服務(wù)機器人機械臂所要完成的動作類型進行分析，結(jié)合機械臂結(jié)構(gòu)的特殊性，對機械臂模型進

3、行簡化，建立簡化后機械臂的D-H參數(shù)模型，并進行正運動學(xué)分析。求解其雅克比矩陣，為基于雅克比矩陣性能指標的提出奠定了堅實的基礎(chǔ)；求取機械臂的工作空間，為評價機械臂尺寸優(yōu)化效果提供標準。
　　再次，根據(jù)移動服務(wù)機器人的應(yīng)用場合和功能特點，提出了評價機械臂性能的最大工作空間距離指標、靜剛度性能指標和全域速度波動性能指標。通過優(yōu)化目標的耦合性分析確定了優(yōu)化目標的耦合關(guān)系，進而確定最大工作空間距離性能指標和全域速度波動性能指標為優(yōu)化目標；

4、通過優(yōu)化變量的靈敏度分析確定了優(yōu)化目標對各優(yōu)化變量的敏感程度，根據(jù)設(shè)計指標要求及實際條件確定了約束條件，在此基礎(chǔ)上建立了機械臂尺寸優(yōu)化的數(shù)學(xué)函數(shù)模型。尺寸優(yōu)化函數(shù)模型多目標多約束的特點，為優(yōu)化算法的選取提供了條件。
　　最后，根據(jù)優(yōu)化函數(shù)模型多目標多約束的特點，決定采取基于Pareto占優(yōu)原則選擇最優(yōu)解的多目標粒子群算法作為求解方法。針對粒子群算法在多目標求解中存在的不足，對算法進行改進，并引入時間飛行因子，提出了改進的多目標粒子