基于基因工程的采摘混联机构构型综合与进化优选系统的研究

机构构型设计是果蔬采摘设备研制的起始和关键环节，目前果蔬采摘机构均采用串联构型，承载能力差、刚度低；综合方法主要依赖设计者的经验，构型形式单调，缺乏创新性，效率低。本项目综合利用少自由度串、并联机构的优点，首次提出适于果蔬采摘的混联机构构型一般形式，并将基因工程思想应用到混联机构创新设计中。项目重点研究如何提取少自由度串、并联机构基本构型的知识信息，构造基本构型知识库与数据库；建立基本构型基因表达机制，利用结构分层表达机制描述混联机构，构建混联机构基因组编码系统；制定基于运动功能分解与重构混联机构构型生长方案，构建混联机构构型进化操作机制和混联机构群体多目标评价方案，建立进化优选数学模型，研究合适算法，开发果蔬采摘混联机构构型生长与进化优选软件系统。项目以菠萝采摘机构为应用对象，结合虚拟仿真和实物样机试验，对软件系统进行测试分析与优化，为果蔬采摘机构构型设计提供共性的综合基础与开发平台。

选取广东主栽巴厘品种菠萝，进行外观尺寸和重量测量分析。对不同大小和成熟度菠萝样品分级，进行静载挤压力学试验，获取菠萝物理力学性能特性。分析菠萝采摘环境和运动功能需求。从运动规律、结构简易性、对称性、杆件和运动副数目、运动副制造成本等角度选取少自由度串、并联机构基本构型单元。从机构元运动功能、结构信息和性能属性三方面提取基本构型元属性信息。应用SolidWorks2008建立基本构型模型模板，选取Access2003进行机构性能属性数据源管理，采用Visual C++6.0设计系统交互界面，创建少自由度串并联基本构型库系统，实现基本机构构型参数化设计和属性信息查询修改功能。分析采摘机构组成，构建运动功能元-基本构型元映射矩阵.通过运动功能分析，功能与基本构型映射匹配，获得构型方案个体生长原型。采用二进制分层编码方法，构建采摘机构构型基因表达机制。分析果蔬采摘机构评价性能指标体系，建立方案评价层次结构。制定果蔬采摘机构构型方案评价因素集，构建基于模糊一致矩阵的评价因素权重排序模型。比较采摘机构构型方案评价列集与设计需求评价参考数列几何相似程度，建立基于灰色关联理论的方案评价适应度数学模型。提出轮盘赌选择和最佳保留选择相结合的选择方法，按功能层交叉，功能层按位变异方法，制定构型方案群体多目标进化操作算法。开发基因工程的果蔬采摘机构构型生长与进化优选软件系统，包括需求分析、指标权重分析、构型生长和构型进化优选模块，及由基本构型知识库和模型库组成的系统支撑模块。以菠萝采摘机构为例，交叉概率为0.6，变异概率为0.2，初始群体数为15，轮盘赌选择代沟为0.9，最大遗传代数为100，最佳个体保存比例取0.2，经过20多代进化，得到最优适应度值为0.967，最优基因对应定位功能方案为圆柱坐标（RPP），姿态调整功能方案为球面2R冗余驱动并联机构（3RRR）。对菠萝采摘进行机构构型方案综合，运动学和动力学仿真，结果与进化优选系统应用结果具有一致性。设计菠萝采摘混联机构主要参数，建立D-H运动方程，进行运动学正反解分析。设计菠萝采摘末端执行机构，优化主要结构参数，进行菠萝采摘整机结构设计，制作实物样机。样机运动和承载试验结果满足菠萝采摘需求。实例表明基于基因工程的构型综合和进化优选系统能实现采摘机构高效智能创新设计，为果蔬采摘机构构型综合提供共性的综合基础与开发平台。