机器人结构分析与综合
--超声波移动平台搭建与路径规划
学 生： 指导老师：
学 号： 班 级：
机器人结构分析与综合
目 录
1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1课题背景 ................................................................................................................ 1 1.2结合面特性以及对机器的影响 ............................................................................ 2 1.3本文的主要内容简介 ............................................................................................ 3 2 超声波测量结合面原理及试验台搭建 ...................................................................... 4 2.1超声波测量结合面的原理分析 ............................................................................ 4 2.2水浸式超声波传感器分析 .................................................................................... 5 2.3实验平台功能需求分析 ........................................................................................ 8 2.4试验设备标准件的选择 ........................................................................................ 8 2.4.1超声波设备的选择 ......................................................................................... 8 2.4.2试验台搭建 ................................................................................................... 10 非标准件的设计 ........................................................................................................ 30 非标准件的校核 ........................................................................................................ 34 2.6.1试验台的校核 ............................................................................................... 34 2.6.2螺栓校核 ....................................................................................................... 35 3 遗传算法求解函数优化问题 .................................................................................... 40 3.1遗传算法流程 ...................................................................................................... 40 3.2数学描述 .............................................................................................................. 40 3.2.1初始种群的生成 ............................................................................................... 41 3.2.2适应度函数的计算 ........................................................................................... 41 3.2.3复制 ................................................................................................................... 42 3.2.4交换 ................................................................................................................... 43 3.2.5突变 ................................................................................................................... 44 3.2.6迭代终止条件 ................................................................................................... 44 3.3路径规划 .............................................................................................................. 45 3.4小结 ...................................................................................................................... 46 4 总结 ............................................................................................................................ 47
II
1 绪论
1 绪论
1.1课题背景
随着科学技术的发展，现在的机器结构越来越复杂。而机器是由零件组成的，装配时是由一个一个的零件单元逐一装配而成的。装配质量的好坏直接影响最后机器的精度。从机器的产生过程来看，一种新产品的开发要经过概念设计阶段、方案设计阶段、详细设计阶段、样机试制与评审阶段、工艺设计和新产品鉴定、试销、生产准备、批量生产等等。目前在设计阶段广泛使用了三维设计分析软件，不仅直观方便，更易于进行后续的加工。但是在设计过程中，要涉及很多技术科学领域，存在很多问题和困难。尤其是机械零部件结合面的刚度、阻尼系数、接触面积等等参数难以精确确定，而根据实际经验设定的参数又不能反映实际的接触状况，目前很多人从事结合面接触的数学理论研究，但是由于其工作量比较大，所以，现在理论研究存在很大问题。因此研究结合面的下列领域将对我国的机械制造行业产生深远的影响：
1) 结合面接触面积的测量与计算 2) 结合面实际接触刚度模型的建立与分析
3) 预测机器零件的装配精度，合理调整装配工艺提高装配质量 4) 研究开发更高刚度的设计方法
要建立结合面的刚度模型首先要知道结合面的接触面积、接触压力等等，这些要通过实验的测量才能得出，所以，结合面的测量对于构建结合面接触模型具有重要的意义。
在工程研究分析中，都无可避免的要遇到求解函数最值问题。在这些最值点处，函数的性能可能会取得很好的解，或者这个最值可能影响整个系统的性能，因此分析最值的影响对于研究工程问题具有重要意义。目前求解函数最值的方法有黄金分割法、二次插值法、割线法和三次插值多项式近似法。这些方法由于要求函数局部连续、可导、应用的领域有限或者收敛速度比较慢等因素，仅仅在某些领域应用比较多，而现在应用求函数最值的方法就是---遗传算法。
遗传算法是仿真生物遗传学和自然选择机理，通过人工方式所构造的一类搜索算法，从某种程度上说遗传算法是对生物进化过程进行的数学方式仿真。 霍兰德于1975
1
机器人结构分析与综合
年在 他的著作 《Adaptation in Natural and Artificial Systems》首次提出遗传算法，并主要由他和他的学生发展起来的。
生物种群的生存过程普遍遵循达尔文进化准则，群体中的个体根据对环境的适应能力而被大自然所选择或淘汰。进化过程的结果反映在个体的结构上，其染色体包含若干基因，相应的表现型和基因型的联系体现了个体的外部特性与内部机理间逻辑关系。通过个体之间的交叉、变异来适应大自然环境。生物染色体用数学方式或计算机方式来体现就是一串数码，仍叫染色体，有时也叫个体；适应能力是对应着一个染色体的一个数值来衡量；染色体的选择或淘汰则按所面对的问题是求最大还是最小来进行。
遗传算法自从1975年提出以来，在国际上已经形成了一个比较活跃的研究领域，已召开了多次比较重要的国际会议和创办了很多相关的国际刊物。
遗传算法已用于求解带有应用前景的一些问题，例如遗传程序设计、函数优化、排序问题、人工神经网络、分类系统、计算机图像处理和机器人运动规划等.
1.2结合面特性以及对机器的影响
现代的机器结构越来越复杂，而且集成的功能也越来越多，控制更加方便。但是无论机器结构多么复杂，都是由一个一个的零部件按照一定的顺序装配而成的。任意两个相互接触的零件接触的表面称为“结合面”。结合面按照运动形式的不同可以分为三类：固定结合面、半固定结合面和运动结合面。
所谓的固定结合面指的是两个接触的工件之间没有相互运动。这种接触应用非常普遍，比如采用螺栓连接的接触面和焊接的结合面都属于这种接触。半固定结合面是指两个结合面有时接触有时不接触的状况，典型的半固定结合面是汽车离合器。运动结合面是指两个接触的工件之间有相对的运动，比如轴承滚珠与滚道之间的结合面。按照接触面的形状，可以将结合面分为平面结合面和曲面结合面等等。
由于结合面在实际机器零件接触中大量存在使得一个完整的系统被分割成很多个小的部分，这就导致系统的复杂程度大大增加。而结合面的接触刚度和接触阻尼直接决定了系统的静特性、振动控制、振动以及动特性等等。所以，研究结合面的特性对于分析系统静动态特性有很重要的意义[1]。
正因为结合面对于机器的影响如此巨大，所以各个国家、学校对结合面进行了深
2
1 绪论
入的研究。但是，结合面的数值模型建立比较复杂，实验测量比较困难。所以，结合面的研究依然是任重道远。
1.3本文的主要内容简介
对于本文的研究成果主要分以下四部分进行阐述： 1）超声波测量的文献阅读国内外研究现状
研究了超声波测量结合面的原理，并根据阅读文献设计了新的试验工件，通过阅读文献，探索了影响超声波测量结合面的误差因素，并考虑了很多减小误差的措施； 2）超声波试验台的搭建
设计了几种测量结合面的试验台方案，最后确定了一种可以比较方便的实现结合面的测量装置，并据此方案，进行了超声波测量装置、伺服电机、滚珠丝杠、试验台支架的选型和校核。同时，对设计的非标准件进行了Ansys优化校核分析等； 3）路径规划
采用了遗传算法对于多个螺栓连接结合面的测量，主要包括遗传算法路径规划，
3