基于和声搜索算法的工业机器人结构优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业机器人结构设计领域，具体涉及一种基于和声搜索算法的工业机 器人结构优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着工业自动化水平的提升，对工业机器人的需求会越来越大，要求也会越来越 高。不但要求工业机器人能够完成工作任务，而且要求在完成任务的同时，减少能量的消 耗，以减小生产成本，现有研宄基本上都是从工业机器人控制的角度来达到这一目标。工业 机器人的结构会对其运动学与动力学的特性产生影响，从而对其控制产生影响，因此工业 机器人的结构设计与优化非常重要。在做结构优化时，可以在考虑工作空间性能指标的同 时，考虑能量消耗的性能指标，为将来控制器的设计做好准备。
[0003] 目前常用的结构优化方法有有限元法、遗传算法等。采用有限元软件进行结构优 化，对网格划分的依赖性较高，优化的精度取决于网格的稀疏度及网格分布的优劣程度；遗 传算法是一种基于自然选择与遗传的全局优化算法，采用群体方法对目标函数空间进行多 线索的并行搜索，但存在早熟和收敛速度慢的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提出一种综合考虑工作空间与能量消耗，基于和 声搜索算法的工业机器人结构优化方法。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种基于和声搜索算法的工业机器人结构优化方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、根据工业机器人的工作空间确定工业机器人工作空间性能指标fw:
【主权项】
1. 一种基于和声搜索算法的工业机器人结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一、根据工业机器人的工作空间确定工业机器人工作空间性能指标fw:
其中
，W表示工业机器人的工作空间，k为工业机器人雅可比矩阵在 工作空间W中某一点处的条件数，W(h)为工作空间的体积，h为工业机器人需要优化的连杆 参数向量：
：Wtl为工作空间体积的约束条件，α为调整系数，g ^为g优化前的 取值； 步骤二、确定工业机器人在运动过程中的能量消耗指标：工业机器人的能量消耗为各 连杆与负载的动能K与势能P之和，以优化前能量消耗为标准做归一化处理，以此得到能量 消耗指标fE; 步骤三、将工业机器人的工作空间性能指标与其运动过程中的能量消耗指标之和作为 优化的目标函数； 步骤四、目标函数表示为上述两项之和：
其中：K (h)和P (h)分别为工业机器人在工作空间中运动的动能和势能，Ktl和P C1分别 为工业机器人在工作空间中运动的动能与势能的约束； 步骤五、初始化和声搜索算法的参数以及和声记忆库，即随机产生M个优化问题的初 始解，求解各初始解的目标函数值，将初始解保存到和声记忆库中； 步骤六、产生新的解分量，并确定新解的目标函数值，更新和声记忆库中的解向量，采 用与步骤五中相同的目标函数值求解方法，获得新解的目标函数值，如果该函数值小于和 声记忆库中最差解的目标函数值，就使用新解替换掉和声记忆库中的最差解，从而得到新 的和声记忆库，否则保持原和声记忆库不变； 步骤七、重复步骤五与步骤六，直到达到最大的迭代次数或者满足停止准则后，结束循 环，输出最优解，至此完成工业机器人结构优化。
2. 如权利要求1所述的一种基于和声搜索算法的工业机器人结构优化方法，其特征在 于，步骤五中初始解与步骤六中新解的目标函数的求解，包括如下步骤： (a) 在工业机器人的可达工作空间中随机生成N个位姿； (b) 设计路径规划算法，生成由起始位置，依次通过上一步中所生成位置的路径，在各 条路径上做多轴插值，得到各插值点处的各个关节的运动速度，以及各连杆的质心位置； (c) 根据上一步中获得的结果，求出工业机器人在具有不同结构参数的情况下，运动过 程中消耗的能量，从而求出目标函数值。
3.如权利要求2所述的一种基于和声搜索算法的工业机器人结构优化方法，其特征在 于，步骤六中新的解分量通过以下三种方法产生： (a) 以概率Phm保留和声记忆库中某些解分量； (b) 以概率I-Phm在可行解空间产生新的解分量； (c) 对通过以上两种机理产生的新的解分量，使用下面的公式，按照概率Ppak进行扰 动，以得到最终的新的解分量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于和声搜索算法的工业机器人结构优化方法。该方法以工业机器人的初步结构设计为基础，将工业机器人的工作空间与运动过程中所消耗的能量作为性能指标，利用和声搜索算法优化其结构参数，使得优化后的工业机器人在保持原有工作空间特性的基础上，具有最优的能量消耗。优化方法的步骤为：(1)确定优化问题的目标函数与约束条件；(2)初始化和声搜索算法的参数与和声记忆库；(3)通过保留和声记忆库中的部分解向量、随机选择、微调扰动产生新的解分量；(4)更新记忆库，对新解进行评估，检查是否满足终止条件。本发明方法在工业机器人的结构设计中，能够高效地实现对各连杆长度的优化，满足工业应用的实际需求。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104749956
【申请号】CN201510129344
【发明人】高学山, 穆煜, 姜世公, 郭文增, 宗成国, 戴福全
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月24日