基于成對(duì)曲線組合的柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)-論文.pdf

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1、中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)2012年第42卷第8期：911—918?；踳ww．scichina．corntech．scichina．com基于成對(duì)曲線組合的柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)王念峰，張憲民華南理工大學(xué)精密裝備與制造技術(shù)廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，J一州510640E-mail：menfwang@scut．edu．cn；zhangxm@scut．edu．cn收稿日期：2011-11-30；接受日期：2012—01—31國(guó)家杰出青年基金(批準(zhǔn)號(hào)：50825504)、機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(批準(zhǔn)號(hào)：SKLRS-2010-

2、MS-09)、華南理工大學(xué)中央高校基本科研務(wù)費(fèi)(批準(zhǔn)號(hào)：2009220040，2012ZP0004)~廣東省高等學(xué)校珠江學(xué)者崗位計(jì)~(2010)資助項(xiàng)目摘要采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否在很大程度上取決于所采用的機(jī)構(gòu)關(guān)鍵詞柔順機(jī)構(gòu)幾何表述方式．本文提出了一種全新的基于成對(duì)曲線組合(對(duì)線組)的表述方式．這種幾何表對(duì)線組述方式，首先確定機(jī)構(gòu)的輸入輸出區(qū)域．雖然在初始階段不知道機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)域的分布，但是拓?fù)鋬?yōu)化載荷加載需要借助機(jī)構(gòu)輸入輸出點(diǎn)，因此必須有至少一個(gè)加載區(qū)域，一個(gè)支撐區(qū)域和一個(gè)遺傳算法輸出區(qū)域．

3、將這些輸入輸出區(qū)域利用成對(duì)Bezier曲線直接或間接連接起來(lái)形成一種可以承載負(fù)荷的柔順機(jī)構(gòu)．這種幾何表述方式生成的機(jī)構(gòu)邊界為曲線函數(shù)之組合，解決了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)中的鋸齒和模糊邊界問(wèn)題，并且可以同時(shí)進(jìn)行形狀和拓?fù)鋬?yōu)化并且保持結(jié)構(gòu)邊界的光滑，沒(méi)有棋盤(pán)格現(xiàn)象和中間密度單元等．基于對(duì)線組進(jìn)行柔順機(jī)構(gòu)表征，會(huì)產(chǎn)生一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，基于FG—FEM有限元法進(jìn)行仿真分析求得響應(yīng)．研究柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法，采用圖的形式對(duì)機(jī)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行編碼，利用遺傳算法的全局尋優(yōu)能力尋找全局最優(yōu)解，數(shù)據(jù)算例的結(jié)果表明，提出的方法正確有效

4、．柔順機(jī)構(gòu)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其面臨最大的挑相對(duì)均衡地分布在某個(gè)或所有元件中．戰(zhàn)在于在滿足約束條件下，如何分析和設(shè)計(jì)相應(yīng)的Ananthasuresh從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的觀點(diǎn)出發(fā)利用拓機(jī)構(gòu)．眾多學(xué)者在柔順機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面已作了許多撲優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行柔順機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)．和采用偽剛工作，特別是Howell?提出著名的偽剛體模型法后，體模型，沿用傳統(tǒng)的分析與綜合方法不同，采用拓?fù)溥@方面的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展．采用這一方法，可以優(yōu)化技術(shù)，只需給定設(shè)計(jì)域和指定輸入輸出位置，無(wú)將柔順機(jī)構(gòu)近似等價(jià)為～個(gè)剛性機(jī)構(gòu)，從而可以有需從一個(gè)己知的剛

5、性機(jī)構(gòu)出發(fā)，所得的結(jié)果具有優(yōu)效地采用傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)的分析與綜合方法對(duì)柔順機(jī)化的力一位移輸入輸出關(guān)≤，因而引起了人們的重構(gòu)進(jìn)行分析與綜合l2】．盡管偽剛體模型法取得了良好視．在實(shí)際應(yīng)用中，人們總是希望柔順機(jī)構(gòu)一方面具的應(yīng)用效果，但由于采用該法處理柔順機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有足夠的柔性，以便順利完成預(yù)定的工作，同時(shí)又具問(wèn)題時(shí)需要從一個(gè)已知的機(jī)構(gòu)出發(fā)，因而，有時(shí)會(huì)給有足夠的剛性以保證其工作的穩(wěn)定性．柔順機(jī)構(gòu)的拓設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難．并且這種方法只能用來(lái)設(shè)計(jì)具撲優(yōu)化就是在這樣一對(duì)相互矛盾的目標(biāo)下進(jìn)行的‘剞．有集中柔度的柔順機(jī)構(gòu)，柔性

6、集中在運(yùn)動(dòng)副上，而非柔順機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)法【5】、均勻英文版發(fā)表信息：WangNF，ZhangXM．Compliantmechanismsdesignbasedonpairsofcurves．SciChinaTee]Sci，2012，55：2099—2106，doi10．1007／sl1431—012-4849-Y王念峰等：基于成對(duì)曲線組合的柔順機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)化方法¨】、水平集法n、遺傳算法f1等．基礎(chǔ)接轉(zhuǎn)化成桁架單元，Jang等人利用不協(xié)調(diào)元，Li等結(jié)構(gòu)法和均勻化方法，都是將離散變量的拓?fù)鋬?yōu)化人。

7、。利用基于單元的周邊元參考系數(shù)的一種平滑算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為連續(xù)變量的尺寸優(yōu)化問(wèn)題．連續(xù)變量?jī)?yōu)法來(lái)嘗試著解決棋盤(pán)格現(xiàn)象，但是，這樣會(huì)造成基因化問(wèn)題可以利用傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)來(lái)處理，將連續(xù)變特性在迭代過(guò)程中遭到破壞并且增加了計(jì)算量．Tai量和材料的性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，利用有限元方法進(jìn)行結(jié)和Chee采用一種仿生學(xué)的機(jī)構(gòu)幾何表述方式表征構(gòu)分析．然而這兩種優(yōu)化方法得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)一般結(jié)構(gòu)并且進(jìn)行了相應(yīng)的基因編碼．這種幾何表述方會(huì)出現(xiàn)一些中間密度單元．為了得到最后的拓?fù)浣Y(jié)式應(yīng)用了仿生學(xué)的設(shè)計(jì)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與脊椎動(dòng)物的脊構(gòu)，必須利用內(nèi)在的懲罰

8、機(jī)制和白定義門(mén)檻值獲得，椎十分相似，成功應(yīng)用于柔順機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題這影響了最后結(jié)果的準(zhǔn)確性．上．然而這種表述方式所得到的結(jié)構(gòu)由于有限元網(wǎng)水平集法最初是Osher和Sethiant19]在研究曲線格的存在邊緣會(huì)產(chǎn)生鋸齒，后處理時(shí)提取適合于加(或曲面)以曲率相關(guān)的速度演化時(shí)描述曲線(或曲面)工的幾何模型比較困難，造成了計(jì)算資源浪費(fèi)，并且的演化過(guò)程的．其基本思想就是將曲線或曲面隱式直接影響了設(shè)計(jì)精度ll引．地表達(dá)成為