[发明专利]一种柔顺机构空间构型拓扑优化方法

说明书

本发明提供了一种柔顺机构空间构型拓扑优化方法，涉及精密定位、精密操作技术领域，包括以下步骤：将与柔顺机构空间构型相对应的并联机构结构参数进行优化，并采用微分等效法得到优化后的并联机构雅克比矩阵；根据并联机构的驱动器设置及多输入多输出运动特征设定拓扑优化设计域，划定设计域中非设计区域，并对设计区域进行网格划分；将优化后的并联机构雅克比矩阵融入拓扑优化方法中，对柔顺机构空间构型进行拓扑优化；提取拓扑构型。该方法在满足空间多自由度运动特征要求的同时，根据拓扑优化方法的本质，可获得最大整体刚度的柔顺机构空间构型，提高柔顺机构自身对振动抑制的能力。

技术领域

本发明涉及精密定位、精密操作技术领域，具体涉及一种柔顺机构空间构型拓扑优化方法。

背景技术

柔顺机构是一种通过其部分或全部具有柔性构件的弹性变形来产生位移和传递运动、力或能量的机构。与传统刚性机构相比其优越之处在于：卓越的性能(如高精度、无间隙、无摩擦、无磨损、重量轻等)、低廉的成本(如易加工、零件数少等)和易于小型化(如微纳机械零部件等)。因此，柔顺机构广泛应用于微机电系统装配、电子封装与光刻、精准医疗等高端技术领域。

具有多自由度运动特性的柔顺机构通常采用柔性铰链替代法，通过用具有相同特征的柔性铰链代替传统的刚性铰链，并根据并联机构中刚性铰链所满足的几何约束条件来实现柔顺机构空间多自由度运动特性。然而，这种简单的替代方法虽可实现空间多自由度运动特征，但却无法满足柔顺机构对整体刚度的要求，降低了柔顺机构整体的振动抑制能力。

为提高空间柔顺机构的整体刚度，研究者们采用拓扑优化方法对柔顺机构构型进行综合与设计。

中国专利CN201410476694.6公开了一种多自由度柔顺并联就拓扑优化方法，通过对平面三自由度柔顺并联机构进行拓扑优化，得到多自由度柔顺并联机构单支链拓扑结构，进而将单支链进行组合形成空间多自由度柔顺并联机构，这种设计方法人为割裂了空间柔顺机构整体弹性变形的耦合特征，所得到的多自由度柔顺并联机构无法寻找到与之相对应的伪刚体模型，从而影响了其进一步的应用。

金莫辉(基于伪刚体模型和雅克比矩阵的柔顺机构拓扑优化方法，华南理工大学，博士论文，2016)则将表示操作空间与关节空间的映射矩阵-雅克比矩阵在拓扑过程中进行优化，并以此建立柔顺机构的伪刚体模型，这种方法忽略了雅克比矩阵映射的不变性，从而导致所建立的伪刚体模型不能准确与柔顺机构拓扑构型相对应。

为提高空间柔顺机构整体刚度，并寻找到准确的、与柔顺机构空间拓扑构型相对应的伪刚体模型，本发明提出一种柔顺机构空间构型拓扑优化方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种柔顺机构空间构型拓扑优化方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种柔顺机构空间构型拓扑优化方法，包括以下步骤：

步骤1、将与柔顺机构空间构型相对应的并联机构结构参数进行优化，采用微分等效法推导出并联结构参数优化后的并联机构雅克比矩阵，并将并联机构雅克比矩阵作为应力应变梯度传递矩阵应用于步骤3；

步骤2、根据并联机构的驱动器设置及多输入多输出运动特征设定拓扑优化设计域，划定设计域中非设计区域，并对设计区域进行网格划分，实现步骤3中的拓扑优化初始条件设置；

步骤3、将优化后的并联机构雅克比矩阵融入拓扑优化方法中，对柔顺机构空间构型进行拓扑优化；

步骤4、根据步骤3中拓扑优化结果，提取拓扑构型，并进行光滑处理。

优选地，所述步骤1的具体做法为，选取具有空间三平移运动特征的3-UPU型并联机构作为所设计的空间柔顺机构所对应的伪刚体模型，在对伪刚体模型进行结构参数优化基础上，采用微分等效法推导出雅克比矩阵，在所述步骤1中：