基于進(jìn)化理論的變自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與原型系統(tǒng)研究

華爾天 鹿 浩 李生輝 沈永康 湯守偉

(1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310023； 2.浙江水利水電學(xué)院，杭州 310018)

0 引言

傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式單一，能夠完成的任務(wù)有限，而大部分機(jī)械設(shè)備需要通過(guò)執(zhí)行一系列運(yùn)動(dòng)來(lái)完成目標(biāo)生產(chǎn)或加工任務(wù)。變自由度機(jī)構(gòu)可按不同的需求，在運(yùn)動(dòng)中改變構(gòu)態(tài)，使之適應(yīng)不同的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)機(jī)構(gòu)需要多個(gè)或復(fù)雜的設(shè)計(jì)才能完成的安全保護(hù)、順序動(dòng)作、均衡作用力等功能[1]。李林等[2]提出了變自由度機(jī)構(gòu)概念，以及剩余自由度不僅不影響機(jī)構(gòu)的正常工作，而且能改善機(jī)構(gòu)性能的觀點(diǎn)。曲志剛等[3]給出了兩種變自由度機(jī)構(gòu)的形成方法——變約束運(yùn)動(dòng)副法和限動(dòng)運(yùn)動(dòng)件法，并分析了變自由度機(jī)構(gòu)的功能。郭宗和等[4]根據(jù)自由度的變化規(guī)律對(duì)變自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分類(lèi)，并利用變胞機(jī)構(gòu)原理和拓?fù)淅碚搶?duì)變自由度機(jī)構(gòu)自由度的變化過(guò)程進(jìn)行了構(gòu)態(tài)變換描述，提出了一種對(duì)不同類(lèi)型的變自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)湫头治龅摹皸U-桿”合并的新方法。蘇昱景等[5]結(jié)合工程實(shí)例研究了基于變胞原理的變自由度機(jī)構(gòu)，提出相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變自由度機(jī)構(gòu)可在滿(mǎn)足基本功能的同時(shí)優(yōu)化受力性能和結(jié)構(gòu)功能。PFURNER等[6]研究了變自由度單環(huán)機(jī)構(gòu)的類(lèi)型綜合和重構(gòu)分析，提出將兩個(gè)桿件插入多自由度單環(huán)過(guò)約束機(jī)構(gòu)對(duì)變自由度單環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行類(lèi)型綜合的新方法。變自由度機(jī)構(gòu)憑借其特殊性質(zhì)，在插秧機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)用比較廣泛[7]。郭宗和等[8]基于運(yùn)動(dòng)鏈圖譜和拓?fù)鋱D，利用變自由度機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種機(jī)械抓手。王才東等[9]運(yùn)用變自由度機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了變自由度螺栓夾緊定位機(jī)構(gòu)，并對(duì)其不同工作階段的不同功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了成組螺栓的夾緊與釋放。CHAUDHURY等[10]對(duì)一種多自由度并聯(lián)機(jī)械手和閉環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。變自由度機(jī)構(gòu)作為一種可重構(gòu)機(jī)構(gòu)，能夠滿(mǎn)足多任務(wù)、多工況與多功能的要求，可實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”的目的，對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域和新一代機(jī)器人的發(fā)展具有重大意義[11]。

目前，對(duì)變自由度機(jī)構(gòu)的研究主要集中在類(lèi)型綜合方面，利用拓?fù)鋱D、鄰接矩陣來(lái)表述機(jī)構(gòu)各階段構(gòu)態(tài)變化及綜合過(guò)程，針對(duì)桿-桿合并、運(yùn)動(dòng)副形式的變化等情況對(duì)不同階段的構(gòu)態(tài)進(jìn)行分析[12-15]，系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的不多，且大多數(shù)變自由度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依賴(lài)于對(duì)原機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，制約了機(jī)構(gòu)形式上的創(chuàng)新。此外，在變自由度機(jī)構(gòu)的構(gòu)態(tài)表述方面，拓?fù)鋱D和鄰接矩陣雖可相互轉(zhuǎn)換、易于編程及可視化、適合對(duì)構(gòu)件關(guān)系的變化進(jìn)行分析，但構(gòu)態(tài)的變化對(duì)應(yīng)不同階矩陣的轉(zhuǎn)換，由矩陣所展現(xiàn)出的桿件和運(yùn)動(dòng)副關(guān)系不易直觀得出機(jī)構(gòu)各階段運(yùn)動(dòng)與整體運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系。

針對(duì)上述變自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，本文利用樹(shù)圖模型來(lái)代替拓?fù)鋱D和矩陣對(duì)變自由度機(jī)構(gòu)的形態(tài)進(jìn)行表述，引入進(jìn)化設(shè)計(jì)理論完成變自由度機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)復(fù)制、交叉、變異3種進(jìn)化運(yùn)算擴(kuò)展機(jī)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，構(gòu)造變自由度機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，以期為設(shè)計(jì)人員提供一種工具化設(shè)計(jì)手段。

1 進(jìn)化設(shè)計(jì)

1.1 進(jìn)化設(shè)計(jì)理論

遺傳生物學(xué)中，環(huán)境的選擇作用決定了生物個(gè)體的進(jìn)化方向。進(jìn)化設(shè)計(jì)是指采用進(jìn)化機(jī)制從一組產(chǎn)品實(shí)例出發(fā)，利用選擇、復(fù)制、交叉、變異遺傳算子，在適應(yīng)函數(shù)的引導(dǎo)下，繼承原有產(chǎn)品優(yōu)良基因，生成具有更好性能指標(biāo)的下一代產(chǎn)品群[16]。遺傳編程(Genetic programming，GP)作為進(jìn)化計(jì)算的一個(gè)分支，它不同于一般遺傳算法 (Genetic algorithm，GA，通過(guò)設(shè)定個(gè)體復(fù)制、交叉、變異的比例和約束函數(shù)來(lái)選擇較為優(yōu)異的個(gè)體)，采用動(dòng)態(tài)的非線性樹(shù)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，末端葉節(jié)點(diǎn)表示參數(shù)，分支表示函數(shù)集運(yùn)算，針對(duì)不同問(wèn)題領(lǐng)域可以靈活定義樹(shù)節(jié)點(diǎn)，且編碼結(jié)構(gòu)可以攜帶語(yǔ)義信息，不需要建立編碼空間與解空間的映射[17]，適合智能化求解技術(shù)。

此外，樹(shù)圖的異構(gòu)編碼形式十分符合機(jī)構(gòu)在進(jìn)化求解過(guò)程中的結(jié)構(gòu)不確定特性，利于機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。許紅[18]利用GP的異構(gòu)編碼形式將機(jī)構(gòu)表示成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)遺傳操作并采用一定評(píng)價(jià)準(zhǔn)則評(píng)價(jià)個(gè)體優(yōu)劣，進(jìn)而得到新的機(jī)構(gòu)構(gòu)型。華爾天等[19]在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈再生法中引入進(jìn)化設(shè)計(jì)理論，用遺傳編程代替其中的數(shù)綜合過(guò)程，解決了數(shù)綜合過(guò)程復(fù)雜繁瑣的計(jì)算問(wèn)題。相比矩陣和拓?fù)鋱D，樹(shù)圖模型憑借其特殊的層次性、從屬性、并列性，在形式上更接近運(yùn)動(dòng)鏈，結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，對(duì)于具有多構(gòu)態(tài)的變自由度機(jī)構(gòu)，可通過(guò)樹(shù)圖對(duì)不同階段的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)封裝，更容易對(duì)各部分構(gòu)件進(jìn)行約束選擇，以完成不同運(yùn)動(dòng)構(gòu)態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

進(jìn)化設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)方法，屬于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的范疇，同其他設(shè)計(jì)方法共同作用以提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，具備自適應(yīng)強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣、創(chuàng)新性高、設(shè)計(jì)柔性好等特點(diǎn)[20]。其核心步驟為：①將設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品基因。②確定進(jìn)化路線及進(jìn)化操作方式。③執(zhí)行進(jìn)化運(yùn)算過(guò)程。④對(duì)產(chǎn)品基因進(jìn)行解碼。⑤方案評(píng)價(jià)及優(yōu)化。

進(jìn)化運(yùn)算過(guò)程中，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)選擇優(yōu)良個(gè)體進(jìn)行遺傳操作十分重要。適應(yīng)度函數(shù)作為一種控制運(yùn)算進(jìn)程的約束函數(shù)，能夠很大程度上影響進(jìn)化過(guò)程的快慢及進(jìn)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。遺傳算法中有適應(yīng)度函數(shù)，而GP相比遺傳算法，適應(yīng)度函數(shù)在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生變化，不斷改善，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的并行演化。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入進(jìn)化理論擴(kuò)展機(jī)構(gòu)形式，也需要對(duì)進(jìn)化運(yùn)算過(guò)程添加相應(yīng)的約束函數(shù)，使機(jī)構(gòu)盡可能減少不合理結(jié)果的產(chǎn)生。

1.2 定向進(jìn)化設(shè)計(jì)

為了使機(jī)構(gòu)在演化過(guò)程中能夠圍繞設(shè)計(jì)要求拓展構(gòu)型，減少不合理樹(shù)圖的產(chǎn)生，一定程度上實(shí)現(xiàn)定向進(jìn)化，對(duì)進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程作以下改進(jìn)：①分析任務(wù)要求。②根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定原動(dòng)件及執(zhí)行件，將其作為演化過(guò)程中的不變量。③生成“源”樹(shù)圖模型，即初始化種群。④添加約束函數(shù)及終止條件。⑤執(zhí)行復(fù)制、交叉和變異3種進(jìn)化運(yùn)算操作。⑥迭代進(jìn)化過(guò)程終止，得到進(jìn)化后的欠驅(qū)機(jī)構(gòu)樹(shù)圖模型。

1.2.1進(jìn)化運(yùn)算

復(fù)制、交叉、變異3種遺傳算子可對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)桿件、運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目、類(lèi)型及其連接關(guān)系等結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。進(jìn)化過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求確定機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件部分和執(zhí)行部分，將其作為進(jìn)化運(yùn)算中的不變量，對(duì)其余部分執(zhí)行運(yùn)算操作。以圖1所示的鄂式破碎機(jī)為例，說(shuō)明具體的操作過(guò)程。

(1)復(fù)制

復(fù)制對(duì)應(yīng)增添或合并桿件、運(yùn)動(dòng)副，一般不改變機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)形式，增添會(huì)使得機(jī)構(gòu)繁雜，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)傳遞損失，而合并可以簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)鏈，在能完成基本運(yùn)動(dòng)任務(wù)的同時(shí)降低機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度。

根據(jù)定向進(jìn)化設(shè)計(jì)規(guī)則，將1-F和5-F作為進(jìn)化運(yùn)算中的不變量，對(duì)桿2、3、4兩兩合并后，原機(jī)構(gòu)就變?yōu)楹?jiǎn)單的5桿及4桿機(jī)構(gòu)，圖3a不滿(mǎn)足自由度要求，圖3b對(duì)應(yīng)的原機(jī)構(gòu)如圖4所示，雖一定程度上簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈，但是機(jī)構(gòu)執(zhí)行桿件的運(yùn)動(dòng)軌跡也隨之簡(jiǎn)化，機(jī)構(gòu)對(duì)石塊的破碎效果有所下降。

大部分復(fù)制情況可以使得機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡更為完整精準(zhǔn)，而部分合并操作則能夠減少機(jī)構(gòu)的信息量及運(yùn)動(dòng)損失，需要根據(jù)機(jī)構(gòu)的具體應(yīng)用情況做出判斷。

(2)交叉

交叉對(duì)應(yīng)改變運(yùn)動(dòng)副、桿件的連接關(guān)系，通過(guò)交換機(jī)構(gòu)桿件或運(yùn)動(dòng)副在機(jī)構(gòu)中的位置來(lái)改變運(yùn)動(dòng)傳遞方向及運(yùn)動(dòng)形式。如交換圖2樹(shù)圖模型中桿件2、3、4的順序可得到不同形式的新鄂式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)(圖5)，交換過(guò)程中整體桿件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)都不發(fā)生改變。

交叉操作能夠在保留所有原桿件、運(yùn)動(dòng)副的情況下對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)，操作便捷。交叉相同類(lèi)型構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生同構(gòu)體，需要進(jìn)行同構(gòu)識(shí)別。圖6為由圖5c還原得到的改進(jìn)鄂式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)。

(3)變異

變異是機(jī)構(gòu)進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)非常重要的操作，能夠大大增加機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新程度和應(yīng)用范圍。變異操作對(duì)應(yīng)改變運(yùn)動(dòng)副或桿件，包括改變桿件尺寸形狀，或是將普通運(yùn)動(dòng)副替換為組合運(yùn)動(dòng)副，通過(guò)力及位移限位來(lái)使機(jī)構(gòu)適應(yīng)不同情況等。

選擇表1構(gòu)件中標(biāo)有序號(hào)的桿件、運(yùn)動(dòng)副，在進(jìn)化過(guò)程中對(duì)樹(shù)的節(jié)點(diǎn)和枝干進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)變異操作。隨著構(gòu)件庫(kù)中桿件、運(yùn)動(dòng)副內(nèi)容增加，變異操作所能夠產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形式更加豐富。

表1 部分構(gòu)件庫(kù)Tab.1 Component library

如圖7所示，先將原鄂式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)中桿件3的一端轉(zhuǎn)動(dòng)副替換為滑槽副，然后將桿2由三副桿變異為二副桿，改變桿2、3、4之間的連接關(guān)系。該變異操作通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)副在滑槽內(nèi)的移動(dòng)情況來(lái)改變桿件5對(duì)石塊的破碎程度，增加了執(zhí)行桿件的破碎范圍，能夠有效防止在破碎大物塊時(shí)發(fā)生卡死的情況。

由于進(jìn)化運(yùn)算過(guò)程具有隨機(jī)性，為了得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的變自由度機(jī)構(gòu)，在以上3種運(yùn)算規(guī)則的基礎(chǔ)上，還需要添加相應(yīng)的約束函數(shù)，使逐步演化而來(lái)的機(jī)構(gòu)符合變自由度機(jī)構(gòu)的特征。

1.2.2約束函數(shù)

變自由度機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特征：①具有多個(gè)自由度。一開(kāi)始機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)小于自由度數(shù)目，為欠驅(qū)機(jī)構(gòu)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)構(gòu)部分構(gòu)件受約束，自由度數(shù)發(fā)生改變，變化后機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定。②自由度的改變不一定產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。當(dāng)機(jī)構(gòu)到達(dá)運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)時(shí)，受外力作用機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，自由度變化。

根據(jù)變自由度機(jī)構(gòu)的特征，設(shè)計(jì)進(jìn)化運(yùn)算中的約束函數(shù)如下：

(1)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式為

F=3(N-1)-2Pl-Ph

(1)

式中F——機(jī)構(gòu)自由度

N——機(jī)構(gòu)桿件數(shù)(含機(jī)架)

Pl——低副數(shù)目Ph——高副數(shù)目

進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，由樹(shù)圖模型計(jì)算對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)的自由度，為滿(mǎn)足變自由度要求，其機(jī)構(gòu)應(yīng)為欠驅(qū)機(jī)構(gòu)，即

F>d

(2)

式中d——驅(qū)動(dòng)桿數(shù)，d≥1

(2)定義樹(shù)圖長(zhǎng)度即機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈長(zhǎng)度為L(zhǎng)，復(fù)制操作中增加或減少的桿件數(shù)要根據(jù)設(shè)計(jì)要求在范圍內(nèi)變化。

樹(shù)圖的原動(dòng)件為樹(shù)圖的第1層，樹(shù)圖底端運(yùn)動(dòng)件為樹(shù)圖的最高層(不含機(jī)架)，“源”樹(shù)圖模型樹(shù)長(zhǎng)L0≥3，如圖8所示。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈不存在支路的情況下，樹(shù)圖長(zhǎng)度取得最大。在進(jìn)化中給定樹(shù)圖的層數(shù)，控制進(jìn)化計(jì)算迭代終止。

L0≤L≤N-1

(3)

(3)對(duì)于低副桿，在復(fù)制運(yùn)算中每引入1個(gè)n副桿給整體機(jī)構(gòu)引入2n-3個(gè)自由度，當(dāng)要求進(jìn)化前后機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)保持不變時(shí)，需要在樹(shù)圖模型中添加對(duì)應(yīng)數(shù)目的機(jī)架。

(4)

式中f——機(jī)架數(shù)

bi——i副桿數(shù)目，取值為2，3，…，n

(4)復(fù)制、交叉、變異的概率。復(fù)制作為進(jìn)化運(yùn)算過(guò)程的基礎(chǔ)，為交叉及變異運(yùn)算提供了解的搜索空間；交叉則能夠進(jìn)一步擴(kuò)大搜索空間，在構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)副數(shù)不變的情況下擴(kuò)展機(jī)構(gòu)構(gòu)型，增加機(jī)構(gòu)適用范圍；變異隨機(jī)發(fā)生，可以避免進(jìn)化運(yùn)算陷入局部最優(yōu)解，增加優(yōu)解情況，提高機(jī)構(gòu)構(gòu)型的創(chuàng)新程度。

進(jìn)化運(yùn)算中，復(fù)制、交叉、變異的概率互相獨(dú)立。設(shè)復(fù)制概率為Pr，交叉概率為Pc，變異概率為Pm。為使機(jī)構(gòu)在桿件數(shù)穩(wěn)步遞增的情況下，交叉得到的構(gòu)型數(shù)目盡可能多，保證定向進(jìn)化過(guò)程的穩(wěn)定，此處設(shè)進(jìn)化過(guò)程中Pr=0.5，Pc=0.7。變異過(guò)程會(huì)引入大量復(fù)雜形態(tài)的桿件及運(yùn)動(dòng)副，給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞帶來(lái)?yè)p耗，因此Pm越小越好，此處設(shè)Pm=0.02。

(5)根據(jù)樹(shù)圖模型所表達(dá)的構(gòu)件數(shù)、運(yùn)動(dòng)副數(shù)等信息，計(jì)算排除不符合式(1)、(2)的運(yùn)算結(jié)果，將滿(mǎn)足欠驅(qū)機(jī)構(gòu)要求的機(jī)構(gòu)樹(shù)圖模型保存下來(lái)。

1.2.3基因編碼

進(jìn)化運(yùn)算過(guò)程主要受兩個(gè)因素的控制：約束函數(shù)和編碼規(guī)則。編碼規(guī)則為模型中特定遺傳信息的傳遞提供了一種演化途徑。

為了使進(jìn)化的模型滿(mǎn)足變自由度機(jī)構(gòu)的要求，需要傳遞進(jìn)化過(guò)程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副數(shù)、桿件數(shù)及自由度的變化情況等遺傳信息，通過(guò)計(jì)算判別是否符合欠驅(qū)機(jī)構(gòu)要求。定義編碼規(guī)則如圖9所示。

基因編碼中，將樹(shù)圖的分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段表示，進(jìn)化運(yùn)算對(duì)應(yīng)改變編碼結(jié)構(gòu)中的基因段，每一段以空集“0”或機(jī)架“F”結(jié)束，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)某一段編碼進(jìn)行選擇保護(hù)，使其不參與進(jìn)化運(yùn)算過(guò)程。計(jì)算機(jī)可通過(guò)編碼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遺傳信息的保留與計(jì)算：數(shù)字表示構(gòu)件；數(shù)字+F計(jì)為1個(gè)運(yùn)動(dòng)副；分層之間的運(yùn)動(dòng)副根據(jù)構(gòu)件的數(shù)目計(jì)算，如，2030之間為1個(gè)運(yùn)動(dòng)副，3054F為1個(gè)運(yùn)動(dòng)副，54F67F為2個(gè)運(yùn)動(dòng)副。由圖9編碼結(jié)構(gòu)可知，改機(jī)構(gòu)模型的構(gòu)件數(shù)為8，運(yùn)動(dòng)副數(shù)為11，為欠驅(qū)機(jī)構(gòu)類(lèi)型。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

圖10為變自由度機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

(1)分析設(shè)計(jì)任務(wù)。針對(duì)任務(wù)要求確定機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件和執(zhí)行件構(gòu)件形式，如使用曲柄滑塊完成移動(dòng)，曲柄搖桿完成急回運(yùn)動(dòng)，雙搖桿機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)等，使變自由度機(jī)構(gòu)的進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程圍繞運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行。

(2)建立“源”樹(shù)圖模型。即根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定設(shè)計(jì)參數(shù)，如原動(dòng)件類(lèi)型、初始樹(shù)圖長(zhǎng)度等，建立“源”樹(shù)圖模型。以下創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程所提及的模型均為通用樹(shù)圖模型。

根據(jù)1.2節(jié)中給出的樹(shù)圖模型，建立機(jī)構(gòu)“源”樹(shù)圖模型如圖11所示。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，實(shí)線內(nèi)部分可在進(jìn)化設(shè)計(jì)之前發(fā)生改變，如1-F原動(dòng)件部分可選擇凸輪驅(qū)動(dòng)或活塞沖程驅(qū)動(dòng)、曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)等，(n-1)-F部分也可根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)做出相應(yīng)變化。對(duì)于多驅(qū)動(dòng)件、多執(zhí)行件工作的特殊情況，如圖12所示，兩個(gè)執(zhí)行桿件同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)葉子節(jié)點(diǎn)應(yīng)位于樹(shù)圖同一層；存在先后運(yùn)動(dòng)順序時(shí)，后執(zhí)行件節(jié)點(diǎn)則置于樹(shù)圖下層。

(3)進(jìn)化計(jì)算。對(duì)“源”樹(shù)圖模型進(jìn)行定向進(jìn)化設(shè)計(jì)，通過(guò)如1.2.1節(jié)所述的復(fù)制、交叉、變異3種運(yùn)算演化樹(shù)圖模型，擴(kuò)展機(jī)構(gòu)形式(圖13)。復(fù)制、交叉、變異運(yùn)算的比例可按設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)整。

在復(fù)制進(jìn)化模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其中部分桿件、運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行交叉、變異運(yùn)算，改變其數(shù)目和類(lèi)型，并通過(guò)約束函數(shù)控制進(jìn)化計(jì)算得到欠驅(qū)機(jī)構(gòu)的樹(shù)圖模型(圖14)。

(4)同構(gòu)識(shí)別

將機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為拓?fù)鋱D的形式，如果兩個(gè)機(jī)構(gòu)的拓?fù)鋱D中點(diǎn)與線的關(guān)聯(lián)關(guān)系一一對(duì)應(yīng)，則稱(chēng)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)同構(gòu)[21]。進(jìn)化運(yùn)算得到的機(jī)構(gòu)樹(shù)圖模型很多，同構(gòu)會(huì)增加后續(xù)將樹(shù)圖轉(zhuǎn)換為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的工作量。因此，在進(jìn)化過(guò)程中還需要對(duì)得到的樹(shù)圖模型進(jìn)一步作同構(gòu)識(shí)別，排除部分冗雜多余的構(gòu)型。樹(shù)圖模型的進(jìn)化過(guò)程中，復(fù)制運(yùn)算不產(chǎn)生同構(gòu)體，而交叉同類(lèi)型構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生同構(gòu)體。通常情況下，機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)越多，產(chǎn)生的同構(gòu)體越多，如5桿機(jī)構(gòu)有1種同構(gòu)體，1種非同構(gòu)體，7桿機(jī)構(gòu)有192種同構(gòu)體，8種非同構(gòu)體基本構(gòu)型。

如圖15a所示，由于桿件2、3為不同類(lèi)型構(gòu)件，對(duì)兩者進(jìn)行交叉運(yùn)算后，機(jī)構(gòu)的桿件關(guān)聯(lián)關(guān)系發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)拓?fù)鋱D也發(fā)生改變；圖15b所示交叉運(yùn)算中，桿件3、4為同類(lèi)型構(gòu)件時(shí)，拓?fù)鋱D形式不變，為同構(gòu)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)過(guò)程中的同構(gòu)識(shí)別主要針對(duì)該同構(gòu)類(lèi)型。

同構(gòu)識(shí)別過(guò)程如圖16所示，主要以機(jī)架F在機(jī)構(gòu)中的位置關(guān)系作為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，快速識(shí)別相同類(lèi)型構(gòu)件交叉運(yùn)算產(chǎn)生的同構(gòu)體。首先，通過(guò)1.2.3節(jié)中的基因編碼將樹(shù)圖模型轉(zhuǎn)換為分段字符串；然后，對(duì)比字符串中F的位置完成同構(gòu)識(shí)別，排除冗雜構(gòu)型。

(5)得到變自由度機(jī)構(gòu)。根據(jù)樹(shù)圖模型中葉子節(jié)點(diǎn)和枝干與機(jī)構(gòu)構(gòu)件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將第4步中完成同構(gòu)識(shí)別的欠驅(qū)機(jī)構(gòu)樹(shù)圖模型還原為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，然后對(duì)機(jī)構(gòu)中不同運(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行約束，即可改變機(jī)構(gòu)的自由度，完成變自由度設(shè)計(jì)要求。樹(shù)圖模型遵循從上到下的先后運(yùn)動(dòng)傳遞，樹(shù)圖模型中靠上層部分構(gòu)件優(yōu)先執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，位于樹(shù)圖末端的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件對(duì)應(yīng)周期運(yùn)動(dòng)最終階段；各執(zhí)行桿件部分節(jié)點(diǎn)位于樹(shù)圖同一層，則不同執(zhí)行件同步運(yùn)動(dòng)。

變自由度機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的不同階段能夠改變自由度，由欠驅(qū)不確定運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為確定運(yùn)動(dòng)，完成不同環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)要求。對(duì)于多自由度欠驅(qū)機(jī)構(gòu)，自由度的變化可通過(guò)改變構(gòu)件的約束度進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，如添加機(jī)架約束、替換低副構(gòu)件為高副構(gòu)件，替換移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副為組合運(yùn)動(dòng)副等；還可通過(guò)改變與機(jī)架相連的構(gòu)件屬性，使該構(gòu)件成為驅(qū)動(dòng)件，從而確定運(yùn)動(dòng)。

如圖17所示，1-F和6-F分別為原動(dòng)件和執(zhí)行件，機(jī)構(gòu)為二自由度欠驅(qū)機(jī)構(gòu)，整體運(yùn)動(dòng)軌跡不確定。當(dāng)把6-F由執(zhí)行件轉(zhuǎn)換為原動(dòng)件后，機(jī)構(gòu)擁有確定運(yùn)動(dòng)，2個(gè)原動(dòng)件共同控制構(gòu)件3的平面運(yùn)動(dòng)。

3 評(píng)價(jià)篩選

創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程得到的變自由度機(jī)構(gòu)還需要作進(jìn)一步篩選和評(píng)價(jià)，去除不符合設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)構(gòu)型，具體的評(píng)價(jià)篩選規(guī)則如下:

(1)滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求

進(jìn)化設(shè)計(jì)而來(lái)的機(jī)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足基本的運(yùn)動(dòng)要求，即執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)能夠按要求成功實(shí)現(xiàn)。可通過(guò)還原前的樹(shù)圖模型結(jié)構(gòu)分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞方向，從樹(shù)圖頂端第1層原動(dòng)件到第N層的執(zhí)行桿件，執(zhí)行件在樹(shù)圖中的位置應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行選擇判別。如圖18所示，執(zhí)行件的位置選擇不同，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞情況會(huì)發(fā)生改變，兩種樹(shù)圖模型相比，圖18a還原得到機(jī)構(gòu)更適合遠(yuǎn)距離的運(yùn)動(dòng)傳遞。

(2)滿(mǎn)足公理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求

選用公理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則作為本文機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一條評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。公理設(shè)計(jì)將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)領(lǐng)域分為用戶(hù)域、功能域、物理域和過(guò)程域，主要解決設(shè)計(jì)中存在的：設(shè)計(jì)方案能否滿(mǎn)足產(chǎn)品功能要求？滿(mǎn)足的程度如何？當(dāng)有多個(gè)設(shè)計(jì)方案時(shí)，如何選擇等問(wèn)題[22]。公理設(shè)計(jì)有兩大準(zhǔn)則：①獨(dú)立公理。獨(dú)立公理即當(dāng)產(chǎn)品有兩個(gè)或以上功能要求時(shí)，設(shè)計(jì)方案需滿(mǎn)足一個(gè)功能要求，且不影響其他的功能要求。由于進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，執(zhí)行件不參與進(jìn)化過(guò)程、獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，因此符合獨(dú)立公理。②信息公理。進(jìn)化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生許多滿(mǎn)足同種運(yùn)動(dòng)要求的相似機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)一步對(duì)所得機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)取優(yōu)。信息公理作為公理設(shè)計(jì)的兩大準(zhǔn)則之一，其特點(diǎn)是利用滿(mǎn)足功能要求的概率形式表達(dá)設(shè)計(jì)者對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿(mǎn)意程度，即隸屬度，且不像其他評(píng)價(jià)方法那樣需要考慮權(quán)重[23]。信息公理中信息量計(jì)算公式為

(5)

式中Ii——滿(mǎn)足某個(gè)功能需求的信息量

Pi——滿(mǎn)足某一功能需求的概率

Asr——滿(mǎn)足該功能需求所能提供的系統(tǒng)范圍

Acr——設(shè)計(jì)范圍與系統(tǒng)范圍的公共范圍

對(duì)于多功能需求，總信息量為滿(mǎn)足各功能需求的信息量之和。信息量作為設(shè)計(jì)復(fù)雜性的度量，而機(jī)構(gòu)由桿件和運(yùn)動(dòng)副組成，機(jī)構(gòu)桿件數(shù)、運(yùn)動(dòng)副數(shù)是影響基本運(yùn)動(dòng)的重要因素，兩者數(shù)量越多，機(jī)構(gòu)形式越復(fù)雜，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)能量傳遞損失增加。參照式(5)可推出機(jī)構(gòu)信息量計(jì)算公式為

(6)

式中Ncr、Plcr、Phcr——N、Pl、Ph范圍與規(guī)定的設(shè)計(jì)范圍的公共范圍

c——復(fù)合鉸鏈的懲罰因子，取正值

h——復(fù)合鉸鏈數(shù)目

在選擇還原得到的機(jī)構(gòu)時(shí)，可將最小機(jī)構(gòu)信息量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)分子分母數(shù)值相近時(shí)，信息量為0，為最佳選擇。

如圖19所示，3種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的信息量Ia=IbLb，可得機(jī)構(gòu)b為較合適的機(jī)構(gòu)類(lèi)型。

4 原型系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)框架

根據(jù)上述變自由度機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程，構(gòu)建了一個(gè)包含設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)、需求分析、進(jìn)化計(jì)算、評(píng)價(jià)篩選4個(gè)模塊的變自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)[24-25]，力求從用戶(hù)的設(shè)計(jì)要求出發(fā)快速實(shí)現(xiàn)變自由度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的整體框架如圖20所示。

(1)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)模塊

設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)模塊主要包含3部分：①模型庫(kù)，由創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中樹(shù)圖模型的語(yǔ)義空間及構(gòu)件庫(kù)組成，語(yǔ)義空間對(duì)應(yīng)樹(shù)圖與機(jī)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)化規(guī)則，構(gòu)件庫(kù)用來(lái)存放不同結(jié)構(gòu)形式的桿件和運(yùn)動(dòng)副，供在進(jìn)化計(jì)算中選擇調(diào)用(表1)，隨著設(shè)計(jì)系統(tǒng)的使用，構(gòu)件庫(kù)的內(nèi)容會(huì)不斷增加，豐富變自由度機(jī)構(gòu)的構(gòu)型。②編碼規(guī)則庫(kù)，用來(lái)完成樹(shù)圖模型和基因編碼之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則，方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)化計(jì)算及同構(gòu)識(shí)別。③數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)存放需求分析模塊得到的輸入?yún)?shù)等數(shù)據(jù)。

(2)需求分析模塊

即用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互界面將設(shè)計(jì)任務(wù)要求輸入系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，確定所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)所需要的自由度數(shù)、原動(dòng)件以及執(zhí)行件的種類(lèi)和數(shù)目等輸入?yún)?shù)，再將各參數(shù)輸入到設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)模塊中供進(jìn)化計(jì)算模塊調(diào)用參與運(yùn)算。

功能向結(jié)構(gòu)參數(shù)的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)構(gòu)造相應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)矩陣實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)要求，由功能結(jié)構(gòu)矩陣確定原動(dòng)件、驅(qū)動(dòng)件數(shù)目及類(lèi)型，并由自由度要求確定進(jìn)化計(jì)算中“源”樹(shù)圖模型的長(zhǎng)度、構(gòu)件數(shù)、運(yùn)動(dòng)副數(shù)等輸入?yún)?shù)。表2為全低副構(gòu)件情況下，二自由度欠驅(qū)機(jī)構(gòu)的相應(yīng)的輸入?yún)?shù)組合。

表2 輸入?yún)?shù)組合(全低副)Tab.2 Input parameter combination (full low pair)

(3)進(jìn)化計(jì)算模塊

該模塊主要完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程中從“源”樹(shù)圖模型到進(jìn)化后欠驅(qū)機(jī)構(gòu)樹(shù)圖模型這一部分工作。根據(jù)1.2節(jié)中定義的復(fù)制、交叉、變異進(jìn)化運(yùn)算規(guī)則，利用編碼運(yùn)算完成進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。進(jìn)化計(jì)算過(guò)程中加入約束函數(shù)，由編碼結(jié)構(gòu)計(jì)算樹(shù)圖模型的自由度，排除不符合欠驅(qū)要求的機(jī)構(gòu)構(gòu)型使機(jī)構(gòu)圍繞欠驅(qū)要求定向進(jìn)化。

(4)評(píng)價(jià)篩選模塊

評(píng)價(jià)篩選模塊包含進(jìn)化運(yùn)算后欠驅(qū)機(jī)構(gòu)樹(shù)圖模型的同構(gòu)識(shí)別及還原解碼為變自由度機(jī)構(gòu)后的評(píng)價(jià)校核兩部分。進(jìn)化計(jì)算過(guò)程得到的樹(shù)圖模型形式多樣，首先，通過(guò)第2節(jié)中的同構(gòu)識(shí)別方法排除欠驅(qū)機(jī)構(gòu)的冗雜構(gòu)型；然后，選擇符合圖21所示自由度變化處理過(guò)程的欠驅(qū)機(jī)構(gòu)作為變自由度機(jī)構(gòu)；最后，將得到的變自由度機(jī)構(gòu)樹(shù)圖解碼還原為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并根據(jù)第3節(jié)中的運(yùn)動(dòng)性及公理設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，利用式(6)計(jì)算作進(jìn)一步評(píng)價(jià)篩選。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程及程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，使用軟件的GPlab工具箱加以修改作為原型系統(tǒng)中的進(jìn)化運(yùn)算模塊，再融合需求分析、設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)以及評(píng)價(jià)篩選3個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合智能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖22所示。

(1)根據(jù)用戶(hù)的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)需求分析模塊確定輸入?yún)?shù)。

(2)輸入?yún)?shù)傳輸?shù)皆O(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)中，由編碼規(guī)則得到相應(yīng)“源”樹(shù)圖模型的初始編碼結(jié)構(gòu)。該過(guò)程中，通過(guò)GPlab中的setnodes、setfunctions 及setterminals函數(shù)定義樹(shù)圖模型與編碼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，并調(diào)用初始樹(shù)長(zhǎng)iniclevel、終止樹(shù)長(zhǎng)maxlevel、operatorprobs運(yùn)算概率等函數(shù)設(shè)定輸入?yún)?shù)，生成初始編碼結(jié)構(gòu)傳輸至進(jìn)化運(yùn)算模塊。

(3)進(jìn)化計(jì)算模塊對(duì)初始編碼結(jié)構(gòu)執(zhí)行復(fù)制、交叉、變異等進(jìn)化運(yùn)算。通過(guò)findnodes、swapnodes等節(jié)點(diǎn)操作函數(shù)對(duì)編碼結(jié)構(gòu)執(zhí)行如1.2.1節(jié)中所示的運(yùn)算，并通過(guò)setfitness函數(shù)設(shè)定欠驅(qū)約束，得到進(jìn)化后欠驅(qū)機(jī)構(gòu)的編碼，將其傳輸至評(píng)價(jià)篩選模塊中。

(4)評(píng)價(jià)篩選模塊分兩步完成對(duì)機(jī)構(gòu)的篩選及評(píng)價(jià)工作。第1步，通過(guò)比較兩個(gè)基因編碼結(jié)構(gòu)中F的位置，對(duì)進(jìn)化運(yùn)算產(chǎn)生的相似結(jié)構(gòu)進(jìn)行同構(gòu)識(shí)別，排除冗雜多余的構(gòu)型，作初步篩選。第2步，進(jìn)一步對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行篩選。首先，使用maketree函數(shù)將同構(gòu)識(shí)別后的基因編碼生成樹(shù)圖模型，由用戶(hù)確定其是否符合運(yùn)動(dòng)性要求；然后，調(diào)用設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中的構(gòu)件庫(kù)及語(yǔ)義空間，將樹(shù)圖轉(zhuǎn)換為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，用戶(hù)根據(jù)欠驅(qū)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖選擇構(gòu)件約束，得到變自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；最后，由式(6)定義setcomplexity函數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算比較機(jī)構(gòu)信息量，取信息量小的為較優(yōu)機(jī)構(gòu)。

(5)系統(tǒng)通過(guò)savetofile函數(shù)將機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖保存為圖形文件，儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。

5 實(shí)例驗(yàn)證

以高叢藍(lán)莓采摘機(jī)采摘系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證該原型系統(tǒng)的可行性、合理性。

由圖23可知，采摘機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩部分組成，桿件1、2、3、6組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)桿件3、4、5、6組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)執(zhí)行采摘?jiǎng)幼鳌?/p>

使用原型系統(tǒng)，首先通過(guò)需求分析模塊將設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)換為參數(shù)。采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求為一個(gè)原動(dòng)件提供動(dòng)力，兩個(gè)構(gòu)件執(zhí)行采摘運(yùn)動(dòng)，由此確定輸入?yún)?shù)L0=3，原動(dòng)件數(shù)目為1、執(zhí)行件數(shù)目為2，進(jìn)化終止樹(shù)長(zhǎng)L=7，通過(guò)進(jìn)化運(yùn)算并排除同構(gòu)體可得到符合欠驅(qū)要求的基本構(gòu)型：5桿機(jī)構(gòu)0個(gè)，7桿機(jī)構(gòu)4種，9桿機(jī)構(gòu)51種。

由于運(yùn)算結(jié)果眾多，取圖24所示兩種樹(shù)圖模型進(jìn)行解碼對(duì)比說(shuō)明。

代入設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中的構(gòu)件，對(duì)樹(shù)圖模型解碼后可得到如圖25所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。設(shè)計(jì)得到的兩種機(jī)構(gòu)均為二自由度欠驅(qū)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)形式不確定，可通過(guò)約束構(gòu)件、替換運(yùn)動(dòng)副等方式改變自由度或添加原動(dòng)件使其擁有確定運(yùn)動(dòng)，成為變自由度機(jī)構(gòu)。

對(duì)比兩種設(shè)計(jì)結(jié)果，圖25a為7桿二自由度機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)除原動(dòng)件、執(zhí)行件外不存在與機(jī)架相連的構(gòu)件，無(wú)法通過(guò)進(jìn)一步選擇構(gòu)件進(jìn)行約束或添加原動(dòng)件使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定。圖25b為9桿二自由度機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)選擇構(gòu)件4成為原動(dòng)件，使機(jī)構(gòu)擁有確定運(yùn)動(dòng)。

相比圖23所示的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，本原型系統(tǒng)得到的9桿機(jī)構(gòu)模型能夠在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，對(duì)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，添加原動(dòng)件進(jìn)一步控制執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)速率，細(xì)化其運(yùn)動(dòng)軌跡，以適應(yīng)不同采摘環(huán)境下的設(shè)計(jì)要求，達(dá)到“一機(jī)多用”的目的。

綜上，該原型系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求快速運(yùn)算得到欠驅(qū)機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)型，再通過(guò)用戶(hù)選擇約束完成變自由度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，人機(jī)共同參與設(shè)計(jì)過(guò)程，改善了傳統(tǒng)變自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴(lài)于原機(jī)構(gòu)、創(chuàng)新程度受到制約且效率不高這一問(wèn)題。

6 結(jié)論

(1)將進(jìn)化設(shè)計(jì)理論引入變自由度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提出一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，擴(kuò)展了變自由度機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。

(2)根據(jù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)將驅(qū)動(dòng)桿件、執(zhí)行件作為機(jī)構(gòu)進(jìn)化設(shè)計(jì)的不變量，對(duì)機(jī)構(gòu)其余部分進(jìn)行進(jìn)化運(yùn)算，并加入約束函數(shù)及編碼規(guī)則實(shí)現(xiàn)定向進(jìn)化，簡(jiǎn)化了進(jìn)化過(guò)程。

(3)利用樹(shù)圖模型表述定向進(jìn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)行變自由度機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，并構(gòu)建了一種原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一定程度上的人機(jī)混合智能設(shè)計(jì)。

(4)以采摘機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了該原型系統(tǒng)的有效性及合理性，為設(shè)計(jì)人員提供一種機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工具化手段。