柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取理论和方法

研究了一种黑白无铰链拓扑优化设计方法。首先寻找一个允许灰度边界的最佳拓扑，当得到一个适当的设计之后，将该解作为后续优化的起始点，以去除中间单元。建立了一个更新的最佳准则，引入一个阈值因子来逐渐抑制低密度单元。传统的最佳方法和所建议的新技术相继应用于设计过程。而且，为了克服去除中间单元过程中产生的一点铰链问题，建立了铰链去除策略。提出一种多层渐进黑白(0-1)拓扑优化设计方法。将拓扑图中无效的中间单元看成多余材料，在此基础上，采用体积比多层延拓方案，逐步逼近优化问题的目标体积比，同时，利用基于相对密度的单元渐进筛选方法，分层地去除设计域中的无效材料，保留其中的最有效材料，并逐层缩小拓扑优化模型的可利用材料域。提出一种基于无棋盘格约束的柔顺机构拓扑优化设计方法。首先分析拓扑优化结果中的棋盘格现象，然后建立消除棋盘格的约束条件，在此基础上建立具有消除棋盘格的设计变量更新最佳准则，推导无棋盘格约束灵敏度。提出一种基于梯度矢量流模型的柔顺机构拓扑图的轮廓提取方法。给出了不同的初始蛇模型及相应的模型演化方法，实现了柔顺机构拓扑图轮廓的自动提取。 2100433B

针对拓扑图提取中的中间单元、棋盘格和轮廓提取问题，本项目研究建立完整的柔顺机构拓扑优化设计中的拓扑图提取理论和方法体系。首先基于SIMP松弛设计变量，结合体积约束延拓和渐进方案，分层去除无效材料，建立基于SIMP和体积约束延拓的渐进0-1拓扑优化方法；然后在优化模型中施加拟万有引力约束，推导多约束最佳准则，建立基于拟万有引力约束的消除棋盘格的方法；随后在SIMP中增加单元材料面积因子，确立考虑面积因子的最佳准则,在设计变量更新过程中利用水平集方法捕捉变化的拓扑图边界，建立基于SIMP和水平集方法的拓扑和轮廓同步优化方法。最后结合考虑边界单元的拟万有引力约束、考虑面积因子的多约束最佳准则和考虑边界单元的体积约束延拓和渐进方案，建立完整的柔顺机构拓扑图提取理论和方法体系。利用三维模拟仿真和位移实验，修正和完善拓扑图提取理论和方法体系，使基于拓扑优化方法所设计出的柔顺机构能够直接胜任于工程应用。

工作拓扑图

柔顺控制简介

所谓被动柔顺机构，即利用一些可以使机器人在与环境作用时能够吸收或储存能量的机械器件如弹簧、阻尼等，而构成的机构一种典型的最早的被动柔顺装置RCC是由MITDraper实验室设计的，它用于机器人装配作业时，能对任意柔顺中心进行顺从运动。RCC实为一个由6只弹簧构成的能顺从空间6个自由度的柔顺手腕，轻便灵巧。用RCC进行机器人装配的实验结果为：将直径4Clnm的圆柱销在倒角范围内且初时错位2mm的情况下，于0. 25s内插入配合间隙为0.01mm的孔中。

柔顺控制缺点

机器人采用被动柔顺装置进行作业，显然存在一定的问题：

1)无法根除机器人高刚度与高柔顺性之间的矛盾；

2)被动柔顺装置的专用性强，适应能力差，使用范围受到限制；

3)机器人加上被动柔顺装置，其本身并不具备控制能力，给机器人控制带来了极大的困难，尤其在既需要控制作用力又需要严格控制定位的场合中，更为突出。

4)无法使机器人本身产生对力的反应动作，成功率较低等等。

也正是这些被动柔顺方法的不足之处，决定了机器人专家们探索新的研究方法。因此，为克服被动柔顺性存在的极大不足，主动柔顺控制应需而生，进而成为、乃至今日仍为机器人研究的一个主要方向。

工作拓扑图

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