基于遗传算法的轮腿混合式爬楼梯轮椅后腿运动性能优化.pdf

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1、机械工程师棼l錾爨囊囊霪囊魏蹭蘩戮群档龌鹚糍蠹溪l雾霾麴翰蝴鳓端黼蒯㈣MECHANlCALENG}NEER基于遗传算法的轮腿混合式爬楼梯轮椅后腿运动性能优化刘增宝f河北工业大学机械工程学院．天津300130)摘要：轮腿混合式爬楼梯轮椅的后腿可以看作是典型的五杆机构，由于现有设计存在运动平稳性差，且没有进行优化设计，使得现有后腿的运动范围、运动平稳性及受力情况难以满足设计目标，为了弥补此不足，故对后腿进行优化设计。文中用非线性规划的遗传算法对五杆机构的杆长进行优化，以增强执行端连杆的翻越能力和改善浮动轮受力情况为目标函数，并利用MATLAB对优化前后的后腿排轮进行运动学仿真

2、，通过对比优化前后的轨迹、速度与加速度，得到后腿的最优设计。关键词：遗传算法：MATLAB；运动学仿真中图分类号：TP391．7文献标志码：A文章编号：1002—2333(2017)02-0072-04MotionPerformanceOptimizationofWheel-leggedWheelchair’SBack—legBasedonGeneticAlgorithmLIUZengbao(CollegeofMechanicalEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300130，China)Abstract：Whe

3、el-leggedwheelchair’Sback-legcanbetakenasafive—barmechanism，itscurrentdesignisnotperfectandreliable，andthereisnooptimizationdesign，SOitisdifficulttomeetthedesigngoaloftheexistedhindlegmovementrange，motionstabilityandthestressdistribution．Tomakeuptheshortage，theoptimizationofthehindlegsisn

4、ecessary．Thispaperoptimizeslengthoffive——barmechanismusingthenonlinearprograminggeneticalgorithm．Objectivefunctionsofoptimizationareimprovingtheexecutionpartclimbingabilityandreducingstressofthefloatingwheel．MATLABisusedtocarryoutdynamicssimulation．Bycomparingtrajectory，velocityandacceler

5、ationbeforeandaftertheoptimization，wecangettheoptimaldesign．Keywords：geneticalgo,‘ithms；MATLAB；dynamicssimulation0引言本文研究的对象是五杆机构，作为一种最基本的多自由度机构。由于具有运动精确、承载能力强等优点，使得五杆机构在轮腿混合式爬楼梯轮椅的后腿上得到了应用。轮腿混合式爬楼梯轮椅[1】是针对现有各种不同结构类型爬楼轮椅的优缺点，提出的一种全新的设计方案。轮腿混合式轮椅与传统的履带式【2]、腿足式13】、行星轮式【41以及一些外带辅助设备15I的轮椅不同。传

6、统的履带式轮椅虽然运动平稳，越障能力强，但是一般重量较大，能耗高、续航能力较差，对地面有较大损坏。腿足式轮椅的优点是越障能力强，缺点是控制比较复杂，且平底运动速度受限。行星轮式轮椅的适应能力比较差，对于越障和跨沟能力不足。轮腿混合式轮椅充分结合了轮式与腿式的优点，既能够拥有平稳快速的的运动性能，又具有非常强的越障能力。轮腿混合式轮椅的结构主要有前腿导向机构、机架、位姿调节机构、后腿爬楼梯机构等。后腿爬楼梯机构主要是通过五杆机构中的两个连杆连接在机架上。与机架相连的两个连杆为动力杆且位置自锁。连杆二上具有五对排轮，排轮由独立的电机提供动力，其主要作用是实现台阶与障碍的爬升和

7、翻越。基于现有的设计，安装有排轮的第二连杆已经设计完成，机架固定，故把与轮椅底盘相连的两个连杆杆长作为设计变量，以执行端连杆的翻越能力最强，浮动轮受力尽可能的小作为设计目标。这一点与此前的以并联机构的雅克比条件数【6j，以执行端的位置误差最小同等都不同。执行端的翻越能力可以用连杆摆动的角度来衡量。执行端整体摆动的角度越大，说明其越障能力越强，性能更优。本文利用非线性规划的遗传算法I目(GA)对五杆机构的杆长进行优化。遗传算法最早是由美国芝加哥大学Holland教授于1975年提出的191。它源于达尔文的进化论、孟德尔的群体遗传