支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，首先，確定當(dāng)前設(shè)計變更的變更方案，并根據(jù)該變更方案形成候選設(shè)計方案；然后，針對每個領(lǐng)域，根據(jù)五連桿機(jī)器人的初始設(shè)計方案、候選設(shè)計方案判斷是否存在待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)：若存在，則對候選設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)設(shè)計方案；否則，直接結(jié)束當(dāng)前設(shè)計變更處理，或以所述的候選設(shè)計方案作為最優(yōu)設(shè)計方案，得到最優(yōu)設(shè)方案后利用最優(yōu)設(shè)計方案對五連桿機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計變更。本發(fā)明能夠使系統(tǒng)總體設(shè)計質(zhì)量最優(yōu)，且協(xié)同考慮不同領(lǐng)域的變更差量，從而避免多域設(shè)計沖突，有效避免五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計中的設(shè)計沖突問題，減少了設(shè)計反復(fù)，提高了設(shè)計效率。
【專利說明】支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè) 計變更處理方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在五連桿機(jī)器人的協(xié)同設(shè)計過程中，某單一領(lǐng)域設(shè)計人員所提出的設(shè)計變更可能 影響其他領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)，從而容易引起設(shè)計沖突，帶來設(shè)計的反復(fù)迭代。為此，基于設(shè)計 人員的原始設(shè)計方案，找出相對優(yōu)化的替代方案，對避免設(shè)計沖突，提高設(shè)計效率起著重要 作用。通常設(shè)計人員均由局部目標(biāo)出發(fā)，基于特定領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)，提出機(jī)械或控制域的設(shè) 計變更。由于缺乏其他領(lǐng)域的背景知識，也沒有參與其他領(lǐng)域的設(shè)計活動，因此無法預(yù)見該 原始設(shè)計方案對其他領(lǐng)域設(shè)計目標(biāo)的潛在影響，從而容易導(dǎo)致設(shè)計沖突的出現(xiàn)。
[0003] 在現(xiàn)有的設(shè)計沖突自動處理方法中，僅通過預(yù)定義的決策標(biāo)準(zhǔn)從已有的若干設(shè)計 方案中選擇某特定方案，無法生成更優(yōu)的設(shè)計方案。而其他的設(shè)計沖突非自動處理方法中， 往往通過增加多域設(shè)計人員之間的信息共享來降低設(shè)計沖突的可能性，或由設(shè)計人員直接 從現(xiàn)有若干方案中選取特定方案。若要產(chǎn)生新的設(shè)計方案，則需要設(shè)計人員相互溝通，人工 生成新的設(shè)計方案。因此，現(xiàn)有的設(shè)計沖突處理方法均不能自動生成更優(yōu)的設(shè)計方案。
[0004] 對五連桿機(jī)器人的協(xié)同設(shè)計而言，由于需要機(jī)械和控制兩個領(lǐng)域的設(shè)計人員的共 同參與。在設(shè)計過程中，設(shè)計沖突幾乎無法避免。因此，必須提出有效的設(shè)計變更自動處理 方法，降低設(shè)計沖突出現(xiàn)的概率，同時降低設(shè)計人員的負(fù)擔(dān)。同時，得到的最優(yōu)設(shè)計方案需 盡可能提高五連桿機(jī)器人的總體設(shè)計質(zhì)量。目前的設(shè)計變更處理方法僅從現(xiàn)有設(shè)計變更中 進(jìn)行選擇，無法獲得更優(yōu)的設(shè)計方案，不能解決設(shè)計沖突。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè) 計變更處理方法。
[0006] -種支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，包括如下步驟：
[0007] (1)確定當(dāng)前設(shè)計變更時五連桿機(jī)器人需要進(jìn)行設(shè)計變更的變更方案，并根據(jù)所 述的變更方案形成候選設(shè)計方案；
[0008] (2)針對每個領(lǐng)域，根據(jù)五連桿機(jī)器人的初始設(shè)計方案、候選設(shè)計方案以及該領(lǐng)域 的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)計算相應(yīng)領(lǐng)域的變更差量；（3)根據(jù)變更差量判斷是否存在待優(yōu)化的設(shè)計 目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行如下操作：
[0009] (a)若存在，則對候選設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)設(shè)計方案，利用最優(yōu)設(shè)計方案對 五連桿機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計變更；
[0010] (b)否則，直接結(jié)束當(dāng)前設(shè)計變更處理，或以所述的候選設(shè)計方案作為最優(yōu)設(shè)計方 案，并利用最優(yōu)設(shè)計方案對五連桿機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計變更。
[0011] 本發(fā)明中所指的結(jié)束當(dāng)前設(shè)計變更處理認(rèn)為是停止當(dāng)前設(shè)計變更。
[0012] 本發(fā)明所述的領(lǐng)域指設(shè)計領(lǐng)域，如機(jī)械領(lǐng)域、控制領(lǐng)域等。對五連桿機(jī)器人進(jìn)行設(shè) 計變更時，可以對單個領(lǐng)域進(jìn)行，也可以同時對若干個領(lǐng)域進(jìn)行。每個領(lǐng)域的設(shè)計變更方案 由相應(yīng)領(lǐng)域的設(shè)計人員提供。
[0013] 本發(fā)明的方法只適用于協(xié)同設(shè)計中的單一領(lǐng)域提出的設(shè)計變更的處理，即對應(yīng)的 變更方案中參與設(shè)計變更的設(shè)計變量為同一領(lǐng)域的設(shè)計變量（由單一領(lǐng)域的設(shè)計人員提 出，而沒有來自其他領(lǐng)域的設(shè)計變更）。
[0014] 本發(fā)明的支持五連桿機(jī)器人多域協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，針對單一 領(lǐng)域設(shè)計人員提出的變更方案處理如下：由五連桿機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)化模型計算系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo) 值，并構(gòu)造新的系統(tǒng)優(yōu)化模型，求解該模型獲得最優(yōu)值形成相應(yīng)的最優(yōu)設(shè)計方案對初始設(shè) 計方案進(jìn)行設(shè)計變更。該單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法能有效降低設(shè)計沖突，同時還大大提高 了系統(tǒng)總體設(shè)計質(zhì)量。
[0015] 設(shè)計變更方案包含設(shè)計人員給出的欲改變的設(shè)計變量集合（即包含參與設(shè)計變 更的設(shè)計變量的集合），同時應(yīng)該給出設(shè)計變量變更后的取值。
[0016] 根據(jù)變更方案形成候選設(shè)計方案時，對于設(shè)計變量集合內(nèi)的設(shè)計變量直接取給出 的值，對于設(shè)計變量集合以外的設(shè)計變量，取初始設(shè)計方案中相應(yīng)的取值。
[0017] 本發(fā)明中當(dāng)存在待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)時，認(rèn)為候選設(shè)計方案不是最優(yōu)的，因此 通過對待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)對變更方案對應(yīng)的設(shè)計方案的優(yōu)化， 保證按照變更方案進(jìn)行設(shè)計變更后能夠提高系統(tǒng)質(zhì)量。
[0018] 本發(fā)明實質(zhì)上是一種五連桿機(jī)器人的輔助設(shè)計方法，提出以五連桿系統(tǒng)優(yōu)化模 型為依據(jù)，以機(jī)械和控制子系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計目標(biāo)為導(dǎo)向，構(gòu)造新的系統(tǒng)優(yōu)化模型（即設(shè)計方 案），并求得滿足系統(tǒng)最優(yōu)解。通過精確計算可避免人工調(diào)節(jié)設(shè)計變量，提高設(shè)計效率，從而 在高效設(shè)計的情況下制造五連桿機(jī)器人。
[0019] 所述的設(shè)計方案包括五連桿機(jī)器人所有設(shè)計變量的取值；
[0020] 所述的變更方案包含參與設(shè)計變更的設(shè)計變量以及相應(yīng)的取值。
[0021] 相應(yīng)的，所述的初始設(shè)計方案包括初始時刻五連桿機(jī)器人所有設(shè)計變量的取值； 候選設(shè)計方案和最優(yōu)設(shè)計方案也應(yīng)該包括變更后五連桿機(jī)器人所有設(shè)計變量的取值。
[0022] 作為優(yōu)選，所述的初始設(shè)計方案和最優(yōu)設(shè)計方案可采用向量形式表示，每一維代 表一個設(shè)計變量的取值。
[0023] 所述步驟（2)通過如下步驟計算不同領(lǐng)域的變更差量：
[0024] (2-1)將初始設(shè)計方案中各個設(shè)計變量的取值代入每個設(shè)計目標(biāo)函數(shù)得到相應(yīng)領(lǐng) 域的設(shè)計目標(biāo)初值，將候選設(shè)計方案中各個設(shè)計變量的取值代入每個領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)函數(shù) 計算得到相應(yīng)領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)終值；
[0025] (2-2)將相應(yīng)領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)終值減去設(shè)計目標(biāo)初值，得到相應(yīng)領(lǐng)域的變更差量。
[0026] 每個領(lǐng)域?qū)?yīng)有獨立的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，領(lǐng)域個數(shù)取決于設(shè)計變更的對象。本發(fā)明 中設(shè)計變更的對象為五連桿機(jī)器人，其設(shè)計目標(biāo)函數(shù)主要包括機(jī)械操控性設(shè)計目標(biāo)函數(shù) 奶以及軌跡運動誤差設(shè)計目標(biāo)函數(shù)灼。系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)包括機(jī)械操控性灼和軌跡運動誤差 供2=奶越小，系統(tǒng)操控性越好。妁越小，則系統(tǒng)控制精度越高。
[0027] 所述機(jī)械操控性設(shè)計目標(biāo)函數(shù)夠計算公式如下：
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，其特征在于，包括如 下步驟： (1) 確定當(dāng)前設(shè)計變更的變更方案，并根據(jù)所述的變更方案形成候選設(shè)計方案； (2) 針對每個領(lǐng)域，根據(jù)五連桿機(jī)器人的初始設(shè)計方案、候選設(shè)計方案以及該領(lǐng)域的設(shè) 計目標(biāo)函數(shù)計算相應(yīng)領(lǐng)域的變更差量； (3) 根據(jù)變更差量判斷是否存在待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行如下操 作： (a) 若存在，則對候選設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)設(shè)計方案，利用最優(yōu)設(shè)計方案對五連 桿機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計變更； (b) 若不存在，則以所述的候選設(shè)計方案作為最優(yōu)設(shè)計方案，并利用最優(yōu)設(shè)計方案對五 連桿機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計變更，或直接結(jié)束當(dāng)前設(shè)計變更處理。
2. 如權(quán)要求1所述的支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，其特征 在于，所述的設(shè)計方案包括五連桿機(jī)器人所有設(shè)計變量的取值； 所述的變更方案包含參與設(shè)計變更的設(shè)計變量以及相應(yīng)的取值。
3. 如權(quán)要求1所述的支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，所述步 驟（2)通過如下步驟計算不同領(lǐng)域的變更差量： (2-1)將初始設(shè)計方案中各個設(shè)計變量的取值代入每個設(shè)計目標(biāo)函數(shù)得到相應(yīng)領(lǐng)域的 設(shè)計目標(biāo)初值，將候選設(shè)計方案中各個設(shè)計變量的取值代入每個領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)計算 得到相應(yīng)領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)終值； (2-2)將相應(yīng)領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)終值減去設(shè)計目標(biāo)初值，得到相應(yīng)領(lǐng)域的變更差量。
4. 如權(quán)要求1?3中任意一項所述的支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處 理方法，其特征在于，所述步驟（3)通過如下方法判斷是否存在待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)： 若所有領(lǐng)域?qū)?yīng)變更差量中至少有一個大于零，且同時至少有一個小于零，則認(rèn)為存 在待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)， 否則，認(rèn)為不存在待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)。
5. 如權(quán)要求4所述的支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，其特征 在于，所述步驟（a)中通過如下方法優(yōu)化候選設(shè)計方案： (al)針對每個領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)； (a2)采用多目標(biāo)優(yōu)化算法以所有優(yōu)化函數(shù)的取值小于或等于零作為優(yōu)化目標(biāo)，求解得 到各個設(shè)計變量的取值，即得到當(dāng)前設(shè)計變更的最優(yōu)設(shè)計方案。
6. 如權(quán)利要求5所述的支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，其特 征在于，所述步驟（3)中根據(jù)以下方法構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)： 對于變更差量大于零的領(lǐng)域m的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)(pm.構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)(pn/: ， fm為變更差量大于零的領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，<Pra?為變更差量大于零的領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo) 初值； 對于變更差量小于或等于零的領(lǐng)域n的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)％構(gòu)建優(yōu)化函數(shù)fj: fn為變更差量小于或等于零的領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，fafl為變更差量大 于零的領(lǐng)域的設(shè)計目標(biāo)初值。
7.如權(quán)要求4所述的支持五連桿機(jī)器人協(xié)同設(shè)計的單領(lǐng)域設(shè)計變更處理方法，其特征 在于，所述步驟（3)中不存在待優(yōu)化的設(shè)計目標(biāo)函數(shù)時進(jìn)行如下操作： 若所有領(lǐng)域的變更差量均大于或等于零，則直接退出當(dāng)前設(shè)計變更處理過程； 若所有領(lǐng)域的變更差量均小于零，則以所述的候選設(shè)計方案作為最優(yōu)設(shè)計方案，并利 用最優(yōu)設(shè)計方案對五連桿機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計變更。
【文檔編號】G06F17/50GK104408255SQ201410706605
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】劉玉生, 樊紅日 申請人:浙江大學(xué)