基于作业区域和响应速度的节点布收机械臂优化设计

黄志强; 段宇星; 宋晓伟; 王杰; 付铭威; 孙浩翔; 李刚

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2024.01.010

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基于作业区域和响应速度的节点布收机械臂优化设计

设计计算 | 更新时间：2024-12-13

- 基于作业区域和响应速度的节点布收机械臂优化设计
- Optimization Design of Node Placement Manipulators Based on Working Area and Response Speed
- 机械传动 2024年48卷第1期页码：67-74
- 作者机构：
  
  1.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500
  2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北涿州 072750
- 作者简介：
  
  黄志强（1968— ），男，四川青城人，博士，教授；主要研究方向为智能机器人技术；huangzq@swpu.edu.cn。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(41902326┫四川省科技计划项目┣22GJHZ0284);国家自然科学基金项目(51375063)
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2024.01.010
  中图分类号：
- 纸质出版日期：2024-01-15，
  
  收稿日期：2022-10-10，
  
  修回日期：2022-10-22，
- 稿件说明：
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黄志强,段宇星,宋晓伟等.基于作业区域和响应速度的节点布收机械臂优化设计[J].机械传动,2024,48(01):67-74.

Huang Zhiqiang,Duan Yuxing,Song Xiaowei,et al.Optimization Design of Node Placement Manipulators Based on Working Area and Response Speed[J].Journal of Mechanical Transmission,2024,48(01):67-74.
黄志强,段宇星,宋晓伟等.基于作业区域和响应速度的节点布收机械臂优化设计[J].机械传动,2024,48(01):67-74. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.01.010.

Huang Zhiqiang,Duan Yuxing,Song Xiaowei,et al.Optimization Design of Node Placement Manipulators Based on Working Area and Response Speed[J].Journal of Mechanical Transmission,2024,48(01):67-74. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2024.01.010.

摘要

节点作为油气勘探中数据采集的关键设备，人工布收的工作强度大、重复性高；机械臂具有长时间持续工作等优点，可代替人工布收节点，提高其布收效率；但机械臂结构刚度低、响应速度慢。因此，对机械臂进行了结构优化及轻量化设计，以提高其结构刚性及运动能力。基于旋量理论，建立了节点布收机械臂正运动学方程，以作业区域为约束条件，提出了综合考虑节点布收机械臂的静刚度全域指标和任务方向的速度综合全域指标，建立了节点布收机械臂尺寸优化数学模型；利用多目标粒子群算法，结合变密度法对节点布收机械臂大臂进行了尺寸优化及轻量化设计。结果表明，结构尺寸优化后，节点布收机械臂的静刚度全域指标提升了19.8%，任务方向的速度综合性能提升了8.8%，显著提高了机械臂的刚度及运动能力；大臂轻量化设计后质量降低了14.7%，有利于提高响应速度的运动能力。研究结果对提高油气勘探的准确性和效率具有重要意义。

Abstract

As the key equipment of data acquisition in oil and gas exploration

the node can be replaced by a mechanical arm because of its long-term continuous work and high efficiency

but the structure rigidity is weak and the motion ability is poor

so the structure optimization and lightweight design are carried out to improve the structure rigidity and motion ability. Based on the screw theory

the forward kinematics equation of the manipulator with node placement is established

the global static stiffness index and the global velocity index considering the direction of the task are proposed

and the mathematical model of the size optimization of the node-placing manipulator is established. Based on the multi-objective particle swarm algorithm and the variable density method

the size optimization and lightweight design of the node-distributed manipulator arm are carried out. The results show that the overall static stiffness index and the overall velocity performance in the mission direction are improved by 19.8% and 8.8% respectively

and the lightweight design of the upper arm reduces the mass by 14.7%

which is beneficial to improve the response speed of the movement ability. The research results are of great significance for improving the accuracy and efficiency of oil and gas exploration.

关键词

机械臂节点性能指标分析尺寸优化多目标粒子群算法轻量化设计

Keywords

Robotic armNodePerformance index analysisSize optimizationMulti-objective particle swarm algorithmLightweight design

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