一种抗眩晕训练平台三自由度并联机构优化设计

曹建平，王海东，高富东

(海军航空大学青岛校区, 山东 青岛 266041)

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51505491）

作者简介：曹建平(1984—),男,讲师,硕士,主要从事并联机构优化设计，jp_cao2016@126.com.

摘要：针对传统抗眩晕训练手段无法模拟复杂海况的问题，设计了一种2UPS-1PU并联机构，其可实现垂荡、横摇和纵摇3个方向复合运动。基于人工蜂群算法,以灵巧度为指标,对该机构的结构参数进行了优化。首先对该机构的结构进行描述，并采用封闭解法求取该机构的位置反解和速度雅可比矩阵；然后证明了该机构线速度是各向同性的，为衡量角速度的灵巧度，提出了一种离散型全姿态空间条件数的评价指标，并在此基础上建立优化数学模型；最后利用人工蜂群算法对该模型进行了优化计算。计算结果表明：相对于常规设计，优化后2UPS-1PU并联机构的灵巧度得到了显著提升，证明了人工蜂群算法的有效性。

关键词：并联机构；灵巧度；人工蜂群算法；优化设计

中图分类号：TH112   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)10-0027-07

抗眩晕训练是海军舰艇人员的必备训练科目，目前训练器材局限于滚轮、旋梯及浪木等手动式装置，这些装置仅能进行单方面的往复运动，无法模拟复杂海况下船舶多方向运动引起的机体眩晕感，因此设计一种能模拟船舶多自由度运动的训练平台非常必要。考虑到承载能力和运动精度，复杂海况下船舶运动模拟平台一般基于并联机构设计，包括六自由度^［1］、三自由度^［2］、二自由度^［3］并联机构。人员晕船是由船舶的周期性振荡引起的，船舶的六自由度运动中，只有垂荡、横摇和纵摇运动是纯粹的振荡运动，因此三自由度并联机构更适用于抗眩晕训练。

灵巧度是衡量并联机构输入与输出运动之间传递精度和评价机构运动学性能的重要指标^［4］，众多学者以灵巧度为指标对并联机构进行了优化设计。针对单一指标评定灵巧度的局限性，陈修龙等^［5］定义了一种能综合评价不同位形下并联机构灵巧度的指标——平方平均灵巧度系数。于凌涛等^［6］提出了全域空间条件数均值与全域空间条件数波动值的综合灵巧度指标。作为优化问题评价指标时，灵巧度必须考虑全域范围的值，在定义全域值时一般都是基于工作空间计算，而三自由度并联机构可达工作空间较小，因此还应考虑可达工作空间每个位置所有姿态下的复合灵巧度，这样的评价对优化设计更具有指导意义。

在优化设计算法方面，马致远等^［7］采用差分进化算法对一种三平移并联机构进行多目标优化，鲁凯等^［8］采用遗传算法对8-SPU并联机器人进行优化，Cahill等^［9］对二自由度并联机构提出了一种几何代数方法。Wang 等^［10］利用多目标粒子群（MOPSO）算法对平面三自由度并联机构进行优化。人工蜂群算法（artificial bee colony，ABC）是Karaboga等^［11］于2005年提出来的一种群智能全局优化算法，可应用于多种工程优化问题，但目前在并联机构的优化设计方面应用不多。

本文设计了一种新的用于抗眩晕训练的2UPS-PU并联机构，给出位置反解和运动速度雅克比矩阵，证明了该机构的线速度条件数恒为1，为衡量角速度的灵巧度，提出了离散型全姿态空间条件数指标，并以此指标为目标函数，采用人工蜂群算法对2UPS-PU并联机构结构参数进行了优化。