并联机构性能分析与优化设计

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作者：李秦川等

出版社：华中科技大学出版社

本类榜单：工业技术

分类：工业技术 > 一般工业技术

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图文详情

ISBN：9787577201429
装帧：平装
册数：暂无
重量：暂无
开本：16开
页数：308
出版时间：2023-12-01
条形码：9787577201429 ; 978-7-5772-0142-9

本书特色

该书内容专业、严谨，同时注重实用性和可读性，方便读者在短时间内快速掌握并联机构性能分析和优化设计方面的知识。

内容简介

并联机器人具有刚度好、承载能力大、操作速度高等优点，在机械加工、运动模拟、高速分拣等领域具有广泛的应用前景。并联机器人的优化设计是其应用开发前的必要步骤。但是，移动和转动运动量纲的不一致导致大部分评价指标缺乏物理意义，此外不同指标间存在非线性强耦合关系，对正确、高效地开展并联机器人优化设计造成极大困难。在国家自然科学基金杰出青年基金和重点项目的资助下，本书著者对以上问题进行了长期的深入研究，对各类并联机器人性能评价指标进行了深入解析，提出了综合考虑多设计目标的优化设计方法与流程，并通过大量案例进行验证。本书是著者在以上领域所取得成果的总结，可作为并联机器人领域工程设计和科研人员开展性能评价和尺度优化的参考和依据。

1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Research Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Performance Evaluation Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.1 Workspaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2.2 Kinematic Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.3 Stiffness Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.4 Dynamic Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.3 Optimization Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.1 Traditional Optimization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2 Intelligent Optimization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.3 Ways to Improve Optimization Algorithms . . . . . . . . . . . 26 1.4 Multi-Objective Optimization Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.4.1 Comprehensive Objective Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.4.2 Pareto Frontier Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.4.3 PCA Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2 Kinematic Performance Analysis and Optimization of Parallel Manipulators Without Actuation Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1 Basics of Screw Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2 Condition Number Indices and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.1 Condition Number Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.2 Example 1: 6PSS PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.3 Example 2: 2-(PRR)2RH PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.4 Example 3: 2PRS-PRRU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3 Motion/Force Transmission Indices and Applications . . . . . . . . . . 65 2.3.1 Motion/Force Transmission Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.3.2 Example 1: 6PSS PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.3.3 Example 2: 2PUR-PRU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.3.4 Example 3: 2PUR-PSR PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.4 Motion/Force Constraint Indices and Applications . . . . . . . . . . . . 84 2.4.1 Motion/Force Constraint Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.4.2 Example 1: 2PUR-PRU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.4.3 Example 2: 2PUR-PSR PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3 Motion/Force Transmission Performance Analysis and Optimization of Parallel Manipulators with Actuation Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.1 Motion/Force Transmission Indices of Parallel Manipulators with Actuation Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.2 Example 1: 6PSS-UPS PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.3 Example 2: 2UPR-2PRU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.4 Example 3: 2PUR-2PRU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 3.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4 Motion/Force Constraint Performance Analysis and Optimization of Overconstrained Parallel Manipulators with Actuation Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.1 Motion/Force Constraint Indices of Overconstrained Parallel Manipulators with Actuation Redundancy . . . . . . . . . . . . 132 4.2 Example 1: 2UPR-2PRU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.3 Example 2: 2PUR-2PRU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5 Elastostatic Stiffness Evaluation and Optimization of Parallel Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.1 Stiffness Performance Evaluation Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.2 Example: 2UPR-RPU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.2.1 Stiffness Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.2.2 Stiffness Performance Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6 A Methodology for Optimal Stiffness Design of Parallel Manipulators Based on the Characteristic Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.1 Methodology for the Optimal Stiffness Performance Design of PMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6.2 Example 1: Optimal Stiffness Performance Design of the 2UPR-RPU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 6.3 Example 2: Optimal Stiffness Performance Design of the 2PRU-PSR PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7 Multi-objective Optimization of Parallel Manipulators Using Game Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.1 Multi-objective Optimization Game Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.2 Example: 2UPR-RPU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.2.1 Regular Workspace Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.2.2 Motion/Force Transmissibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.2.3 Stiffness Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 7.2.4 Multi-objective Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 7.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8 Hybrid Algorithm for Multi-objective Optimization Design of Parallel Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.1 Hybrid Algorithm and GPR-Based Mapping Modeling . . . . . . . . 206 8.1.1 Procedure of the Hybrid Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8.1.2 GPR-Based Mapping Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8.2 Example: 2PRU-UPR PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 8.2.1 Kinematic Performance Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2.2 Stiffness Performance Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2.3 Elastodynamic Performance Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 8.2.4 Regular Workspace Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.2.5 Multi-objective Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 8.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 9 Sensitivity Analysis and Multi-objective Optimization Design of Parallel Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 9.1 Sensitivity Analysis and Multi-objective Optimization Design Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.1.1 Response Surface Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.1.2 Sensitivity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 9.1.3 Multi-objective Optimization Design of PMs . . . . . . . . . 236 9.2 Example: Delta PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9.2.1 Workspace Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.2.2 Kinematic Performance Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9.2.3 Dynamic Performance Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.2.4 Sensitivity Analysis and Multi-objective Optimization Design of Delta PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 9.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10 Multi-objective Optimization Design of Parallel Manipulators Based on the Principal Component Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.1 Multi-objective Optimization of PMs Based on the Principal Component Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 10.2 Example 1: 3RPS PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 10.2.1 Performance Indices of the 3RPS PM . . . . . . . . . . . . . . . . 260 10.2.2 Multi-objective Optimization Design of the 3RPS PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 10.3 Example 2: 6PSS PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 10.3.1 Performance Indices of the 6PSS PM . . . . . . . . . . . . . . . . 268 10.3.2 Multi-objective Optimization Design of the 6PSS PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 11 Multi-objective Optimization Design of Parallel Manipulators Based on the Intelligent-Direct Search Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 287 11.1 Intelligent-Direct Search Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 11.1.1 Introduction of Pareto Front . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 11.1.2 Procedure of the Intelligent-Direct Search Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 11.2 Example: 2UPR-RPU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 11.2.1 Performance Indices of the 2UPR-RPU PM . . . . . . . . . . 290 11.2.2 Multi-objective Optimization Design of the 2UPR-RPU PM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 11.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

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作者简介

李秦川，中国科协九大全国代表，国家杰出青年科学基金获得者，浙江省优秀教师，浙江省新世纪151人才工程重点资助培养人员。主要研究方向为机器人机构学，在少自由度并联机器人构型综合、拓扑性能评价和自由度分析等方向形成特色，主持国家和省部级科研项目9项，发表论文40余篇，其中SCI论文16篇，SCI他引300余次，出版Springer专著1部，授权中国发明专利17件。

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