[发明专利]一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法

权利要求书

1.一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法，其特征在于：

对电动汽车换电机器人电池举升装置进行运动分析，建立一种电动汽车换电机器人电池举升装置的运动学模型和动力学模型，设计相应的控制器，以举升机构动力学性能为目标，建立举升机构尺寸及控制参数协同优化模型，采用优化算法进行优化求解；

举升机构尺寸及控制参数协同优化模型为：

(1)决策变量

换电机器人举升装置由直流伺服电机、一对齿轮、丝杆螺母机构、曲柄滑块机构和连杆组成，其中曲柄滑块机构由一个直流伺服电机驱动，举升系统由直流伺服电机通过一对齿轮带动丝杆旋转，进而驱动滑块沿着导轨作直线运动，使连杆作平面运动，连杆末端限制在电池托盘上的水平槽孔中，由连杆末端的竖直分运动完成电池托盘的举升；

优化变量为齿轮1的齿数Z₁、齿轮2的齿数Z₂、丝杆导程P、连杆AB段长度l₁、连杆BC段长度l₂、曲柄OB长度l₃，控制器中比例因子K_kp、K_ki、K_kd，控制器中的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d，优化变量用X表示如下：

X＝[Z₁,Z₂,P,l₁,l₂,l₃,K_kp,K_ki,K_kd,K_p,K_i,K_d]

(2)目标函数

1)上升时间t_r

上升时间t_r即举升系统的阶跃响应曲线首次达到目标值所需的时间；

2)稳态误差δ

稳态误差δ即系统达到稳定时系统期望输出与实际输出之间的差值；

上升时间及稳态误差的数值无直接的数学表达，在优化过程中通过举升机构控制器的阶跃响应仿真曲线得到，优化模型为：

minf(Z₁,Z₂,P,l₁,l₂,l₃,K_kp,K_ki,K_kd,K_p,K_i,K_d)＝min(t_r,δ)

(3)约束条件

齿轮1和齿轮2的齿数满足以下约束条件：

Z₁＜Z₂

其中，d为齿轮1和齿轮2的中心距设置固定值；

滚珠丝杆的导程范围如下，单位mm：

5≤P≤12,P∈{5,6,8,10,12}

连杆AB段、BC段以及OB段的长度范围如下，单位mm：

70≤l₁≤110

140≤l₂≤180

100≤l₃≤140

为了保证举升机构的举升高度达到要求，当连杆AB竖直时，连杆AB段和BC段的长度应满足一定的约束条件：

其中，β₀为连杆AB段与BC段的固定夹角；

控制器中比例因子K_kp、K_ki、K_kd的范围为：

控制器中的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d的范围为：

0≤K_p≤400

0≤K_i≤4

0≤K_d≤25。