基于Isight的3-PRS并联机构多目标优化设计

发布时间：2017-05-25 01:05

  本文关键词：基于Isight的3-PRS并联机构多目标优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文结合设计的皮下穿刺手术机器人,对3-PRS并联机构进行多目标优化设计,针对运动学和动力学的多个性能进行多目标优化研究,并且对算法的优劣进行了研究分析。把优化软件Isight运用到3-PRS并联机构的多目标参数优化中,建立的优化流程和提出的优化算法评判标准对今后的研究有一定的参考意义。本文的主要研究内容如下。对手术机器人主要部分3-PRS机构的基本理论进行了详细的研究与计算,分析并联机构运动学,计算出反解,并应用软件Isight和ADAMS对运动学反解进行仿真验证,采用螺旋理论结合李群理论对并联机构雅克比矩阵进行求解。对并联机构静力学进行分析,建立静平衡方程,求出力雅克比矩阵。建立了运动学层面和静力学层面的性能指标为下文的多目标优化设计奠定了基础。基于Isight软件对手术机器人的3-PRS并联机构进行运动层面的多目标优化设计。采用前文建立的3-PRS并联机构的指标作为目标。基于NSGA-Ⅱ方法进行多目标优化。得到分布性良好的Pareto解集及Pareto前沿,分析目标指标,并给出优化算例以体现优化效果的有效性。对3-PRS并联机构进行6Sigma稳健性优化设计,将运动层面的多目标优化设计作为确定性优化设计,首先进行6Sigma稳健性分析,然后对其进行6Sigma稳健性优化设计,结果分析表明,并联机构Sigma质量水平和可靠性性有了明显的提高,百万次品率下降明显。对3-PRS并联机构进行动力学分析,建立动力学方程,基于动能等效原理求解动力学质量矩阵。根据质量矩阵建立了动力学灵巧度指标,基于有限元法建立了基频指标。基于Isight软件,采用DOE实验设计与多目标优化算法混合的方法解决优化问题。由DOE实验设计得到的效果图表现了各参数对目标函数的影响程度。Pareto解集给出了所有可行解。最后给出的算例体现了良好的优化效果。目前优化设计方法繁杂,为提高优化质量,本文提出了评价优化算法的方法标准,分别用NSGA-Ⅱ和NCGA算法对并联机构进行多目标优化,对这两种非归一化方法的优化质量进行研究比较。实验分析表明NSGA-Ⅱ算法的优化质量优势明显。
【关键词】：手术机器人 3-PRS并联机构 Isight平台 多目标优化 6Sigma稳健性
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 并联机器人的简介以及发展10-13
• 1.2 并联机构的应用领域13-16
• 1.3 并联机构多目标优化设计国内外研究状况16-17
• 1.4 软件Isight的研究现状17-18
• 1.5 论文研究意义以及内容18-20
• 1.5.1 论文研究意义18
• 1.5.2 论文研究内容18-20
• 第2章 3-PRS手术机器人的设计分析及优化指标的确立20-37
• 2.1 基于 3-PRS并联机构的辅助皮下穿刺手术机器人的设计20-22
• 2.2 自由度分析22-25
• 2.2.1 螺旋理论对自由度的分析22-24
• 2.2.2 Kutzbach-Grubler公式计算自由度数24-25
• 2.3 3-PRS并联机构的运动学分析25-31
• 2.3.1 3-PRS并联机构运动学逆解求解25-26
• 2.3.2 基于Isight的运动学逆解数值仿真26-28
• 2.3.3 基于ADAMS的运动学反解仿真验证28-29
• 2.3.4 3-PRS并联机构的雅克比矩阵的建立29-31
• 2.4 3-PRS并联机构的静力学分析31-33
• 2.5 运动学性能指标的研究33-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 3-PRS机构运动学多目标优化及 6Sigma稳健性优化37-51
• 3.1 基于Isight软件的多目标优化37-42
• 3.1.1 Isight软件的多目标优化流程简介37
• 3.1.2 优化性能指标的建立37-39
• 3.1.3 多目标优化模型的建立39
• 3.1.4 基于Isight的多目标优化设计过程39-40
• 3.1.5 多目标优化结果分析40-42
• 3.2 3-PRS并联机构稳健性优化设计42-50
• 3.2.1 稳健性优化概念简介42-44
• 3.2.2 6Sigma稳健性优化设计问题描述44-45
• 3.2.3 基于可靠性评价技术的 6Sigma稳健性分析45-47
• 3.2.4 6Sigma稳健性优化47-50
• 3.3 本章小结50-51
• 第4章 3-PRS机构动力学分析及动态特性多目标优化51-61
• 4.1 动力学分析及动力学指标的建立51-55
• 4.1.1 动力学方程51
• 4.1.2 基于动能等效的质量矩阵的求解51-53
• 4.1.3 动力学性能指标53-55
• 4.2 3-PRS并联机构动态特性多目标优化55-59
• 4.2.1 动态特性优化目标55-56
• 4.2.2 动态特性多目标优化模型的建立56-57
• 4.2.3 动态特性多目标优化流程57-58
• 4.2.4 动态特性多目标优化实验结果分析58-59
• 4.3 本章总结59-61
• 第5章 非归一化算法在并联机构多目标优化中的对比分析61-70
• 5.1 3-PRS并联机构优化模型建立61-64
• 5.1.1 优化目标的确定61-63
• 5.1.2 动态特性多目标优化模型的建立63-64
• 5.2 实验方法与流程64-66
• 5.2.1 算法优劣的评判指标64
• 5.2.2 算法描述64-65
• 5.2.3 优化实验流程65-66
• 5.3 动态特性多目标优化实验结果分析66-69
• 5.4 本章小结69-70
• 结论与展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-76
• 作者简介76
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果76-77

【参考文献】

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本文编号：392371