[发明专利]一种机器人机构拓扑和尺度同步设计方法

说明书

本发明公开了一种机器人机构拓扑和尺度同步设计方法，包括以下步骤：基于连续运动，建立机器人机构拓扑模型；在拓扑模型的基础上，引入尺度参数，得到运动模型；构建机构的性能模型；确定拟优化的拓扑和尺度变量；建立机器人机构拓扑与尺度同步设计模型；对机器人机构拓扑与尺度同步设计模型进行解集搜索；获得机构的最优拓扑及其尺度参数。本发明所提出设计方法建立了机构拓扑和性能的代数联系，实现了以性能为导向的拓扑量化评价和遴选；本发明所提出设计方法综合考虑拓扑和尺度对性能的耦合影响规律，提出了拓扑和尺度同步优化设计流程，解决了拓扑设计和尺度设计相互割裂的问题。

技术领域

本发明属于机器人机构设计技术领域，具体涉及一种机器人机构拓扑和尺度同步设计方法。

背景技术

机构是机器人的骨架和执行器，更是决定其功能即输出运动的数目与类型和性能即运动与力传递特性的“基因”。计及服役环境需求的机构拓扑设计与尺度设计一直是机器人与机构学研究的难点问题，具体体现在以下几个方面：

其一、机构拓扑难以量化评价和优选

拓扑指机构构件的逻辑连接关系、组成环路和布局，是判断自由度及运动性质的主要依据，决定了机构的应用功能。机构拓扑涉及组成支链的数目、类型，运动关节排列顺序、轴线方位等诸多要素，因而展现出极强的多样性和复杂性。拓扑设计旨在获得所有满足功能需求的机构拓扑并从中遴选出最优拓扑。

然而，由于缺乏对机构拓扑特征的量化评价，现有方法通常基于工程经验开展拓扑优选，导致优选质量参差不齐。如何以量化评价指标为导向开展拓扑优选已然成为并联机器人机构原始创新亟待解决的瓶颈问题；

其二、拓扑设计和尺度设计相互割裂

拓扑反映了机构的本质运动规律，不仅决定了机构的功能，而且与尺度共同决定了并联机构的性能。而现有设计方法通常仅针对功能需求开展拓扑设计，针对性能需求开展尺度设计。

中国专利ZL202110521438.4、ZL201710948880.9分别提供的《一种并联机器人多目标优化设计的高效方法》和《一种考虑参数不确定性的并联机构多目标优化设计方法》，给出了并联机器人机构尺度设计的有效方法，但获得的优化结果仅为特定拓扑在最优尺度下的性能，仍无法衡量拓扑对性能的影响。

因此，面向机器人机构的原始创新，设计人员往往需要反复对拓扑设计获得的特定拓扑进行尺度设计，比较优化结果直至获得最优机构，极大制约了高性能机器人机构自主研发的效率和质量。

并联机构的拓扑设计和尺度设计问题是机器人和机构学界长期以来的挑战，开展此类研究对实现贯通功能和性能需求的并联机器人机构原始创新设计，具有重要的理论意义和应用价值。

针对上述难点问题，本发明提供了一种以功能和性能需求为导向的机器人机构拓扑和尺度同步设计方法。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种机器人机构拓扑和尺度同步设计方法。

本发明的技术方案是：一种机器人机构拓扑和尺度同步设计方法，包括以下步骤：

ⅰ.定义拓扑参数，基于连续运动，建立机器人机构拓扑模型；

ⅱ.在拓扑模型的基础上，引入尺度参数，得到运动模型；

ⅲ.构建机构的性能模型；

ⅳ.确定拟优化的拓扑和尺度变量；

ⅴ.建立机器人机构拓扑与尺度同步设计模型；

ⅵ.对机器人机构拓扑与尺度同步设计模型进行解集搜索；

ⅶ.获得机构的最优拓扑及其尺度参数。

更进一步的，步骤ⅰ基于连续运动，建立机器人机构的拓扑模型，具体过程如下：