《商在線上構的分析、綜合與最佳化設計》是依託哈爾濱工業大學，由樓雲江擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：商在線上構的分析、綜合與最佳化設計
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：樓雲江
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
工具機等由兩個子運動模組構成的協同機構，都是由解耦的單軸機構簡單疊加而成，長期以來結構單一，缺乏創新。這是因為：（1）傳統的任務空間對工業套用的描述不準確，不完整。（2）任務空間的分解方式及子任務空間的實現形式受限於笛卡兒直角坐標形式。本項目引入微分流形理論中商的概念，取定一個子任務空間，另一子任務空間可以用總任務空間對前一子任務空間的商來描述，由此可以產生大量新型機構，為發明新型的性能優異的多軸加工設備奠定理論基礎，這種新型機構被稱為商在線上構。本項目系統地研究商在線上構任務空間的描述、任務空間的分解與子任務空間的機構實現、商在線上構性能評價與最佳化設計、及由關節間隙引起的誤差的建模、分解與綜合，目的是建立商在線上構拓撲綜合理論及其集成最佳化設計框架，推動商在線上構的在多軸加工領域的創新和實際套用。
結題摘要
面向工具機、電子加工設備等兩模組協同運動的機構，我們採用微分幾何理論，提出商在線上構的概念，研究其綜合、設計及控制方法。我們給出加工任務空間的完整描述，並對每種描述實現系統化的運動分解，研究子模組的機構實現。我們首先研究了作為商在線上構模組的用於拾放操作的Schoenflies運動並在線上構，提出了一類拓撲上最簡潔的新型空間四自由度Schoenflies運動並在線上構，並提出了一個新的性能指標：規則工作空間比率，開展了多目標最佳化設計研究。在最佳化設計過程中，我們發現機器人機構的最佳化設計問題本質上是一個非線性、多極值最佳化問題，其目標函式和/或約束常常不能表示為最佳化變數的解析函式，需要尋求高效的最佳化求解算法。我們系統地分析並仿真比較了常用全局最佳化數值算法。對於複雜問題，差分進化（DE）和粒子群算法（PSO）效率最高，並且對所有問題都有效，且性能穩定。為解決並在線上構模組工作空間受限問題，我們提出了新型的可連續迴轉的平面三自由度並在線上構V3機器人，其驅動軸線共線，擁有類似串在線上構的大工作空間。我們通過最佳化設計，大大提高了其靈巧工作空間及運動性能。我們以平面五桿機構為例，創新地提出利用伴隨運動，我們通過最大化其伴隨的旋轉運動，二自由度的五桿機構在一定範圍內能夠完成三自由度的平面操作任務。實現了低自由度的機構在一定範圍內完成高自由度的工作任務。我們研究了商在線上構模組的輪廓控制問題。對於自由曲線，輪廓誤差的計算非常困難且耗時，我們基於圓逼近的方法，提出了基於任務空間極坐標系的輪廓控制方法，大大提高了輪廓控制精度（在均方根下，減少輪廓誤差50%~70%）。鑒於現有輪廓誤差逼近方法較難推廣到三維空間曲線，我們基於微分幾何理論和泰勒展開，提出了適用於三維空間的高精度輪廓誤差估計方法——自然逼近方法，這種方法尤其適用於高速大曲率加工。此外，我們還研究了機器人的運動規劃、控制系統及基於視覺的導航算法，取得了良好的進展。在基金的資助下，本項目發表論文18篇，包括在IEEE Trans. on Automation Science & Engineering和IEEE Trans. on Industrial Electronics等本領域國際一流學術期刊上發表了3篇長文，已授權2項發明專利，1項實用新型專利，培養博士生2人，碩士生7人。
