[0001] 本发明涉及机电技术领域，具体为一种俯仰机构铰接支点布局优化设计方法。

[0002] 在现代机械设计中，俯仰机构被广泛应用于航空航天、机器人以及重型机械等领域，其主要功能是实现设备的倾斜和调整以满足不同工况需求。然而，随着技术的发展，对俯仰机构的性能要求越来越高，尤其是在精度、稳定性和负载能力等方面，这些要求使得俯仰机构的设计与优化变得愈加复杂。传统的铰接支点布局往往是基于经验和试错法进行设计，缺乏系统的理论支持和计算分析，导致在实际应用中出现诸多问题，如运动误差、承载不均、效率低下等。这些问题不仅影响了设备的运行效率，还可能导致严重的安全隐患。因此，如何科学合理地布局铰接支点，提升俯仰机构的整体性能，成为亟待解决的技术挑战。

[0003] 基于有限元方法的仿真分析技术逐渐被引入到俯仰机构的设计与优化中，成为解决上述问题的重要手段。有限元模型能够精确模拟机构在不同工作状态下的受力情况，从而为铰接支点位置的优化提供理论依据。然而，现有技术在有限元分析基础上进行的铰接支点布局优化设计多是片面的，缺乏对优化目标参数的全面分析和综合评价。此外，环境因素如温度变化和振动等对俯仰机构的影响常常被忽视，这些因素在实际使用中可能导致性能的显著下降，影响机构的稳定性和可靠性。同时随着电动缸(EMA)制造工艺的纯熟，电动缸具有远超EHA的的定位精度、响应速度、传动刚度和工作效率，所以使用电动缸驱动直线立式俯仰机构可提高传动和控制精度，电动缸(EMA)制造工艺的发展，为高精度控制俯仰机构提供技术支持；因此，如何将多种影响因素纳入优化设计过程，提升俯仰机构的适应性，是当前研究的重要方向。

[0004] 现有技术中的，公开号为CN117521297A的中国专利申请公开了一种机电俯仰机构铰接支点布局优化设计方法，通过根据机电俯仰机构铰接支点的位置计算电动缸伸长比例系数、俯仰负载力矩、俯仰传动比、电动缸轴向推力、俯仰电机输出扭矩需求和输出转速需求等性能参数；然后选定设计变量、目标函数和约束函数，建立优化问题数学模型；之后进行灵敏度分析，得到目标函数和约束函数关于设计变量的导数信息；最后采用梯度优化算法求解优化问题，根据灵敏度信息进行高效寻优，得到优化设计结果。此方案在改善机电俯仰机构性能的同时，得到满足约束条件的优化设计结果。但此方案仅考虑了理想模型的机电俯仰机构分析，但实际工作过程中存在各种误差，导致通过理想模型得到的优化设计结果，无法达到预期效果，因此导致俯仰机构优化设计的准确性、有效性降低。

[0005] 在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

[0016] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

[0017] 需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

[0018] 实施例：请参阅图1‑图2，本发明提供一种技术方案：
一种俯仰机构铰接支点布局优化设计方法，具体步骤包括：
步骤1：建立俯仰机构有限元模型，基于俯仰机构有限元模型设置不同的铰接支点位置，记录铰接支点位置坐标，所述铰接支点包括电动缸下支耳与工作平台前支耳的铰接支点、电动缸上支耳与起落架前支耳的铰接支点、起落架后支耳与工作平台后支耳的铰接支点；
以垂直工作平台向上为y轴正方向，以工作平台水平向右为x轴正方向建立平面坐标系，标定电动缸下支耳与工作平台前支耳的铰接支点为 ，电动缸上支耳与起落架前支耳的铰接支点为 ，起落架后支耳与工作平台后支耳的铰接支点为 ，则 的初始的位置坐标为 ， 的初始的位置坐标为 ， 的初始的位置坐标为 ；其中原点
的选择可根据实际俯仰机构的结构进行调整，如可将工作平台横截面左上角顶点作为原点，具体可参阅图2。

[0019] 步骤2：基于不同铰接支点位置的俯仰机构有限元模型，对俯仰机构有限元模型进行受力分析，计算对应的俯仰机构性能参数以作为优化目标参数，所述俯仰机构性能参数包括俯仰负载力矩、电动缸轴向推力和俯仰电机输出扭矩需求；其中，通过LASSO回归算法对俯仰机构性能参数进行特征选择，具体步骤包括：将所有相关的输入特征（如铰接支点位置、环境参数等）组织成特征矩阵，并将性能参数（如电动缸伸长比例系数、俯仰负载力矩、电动缸轴向推力、电动缸在伸缩速度和俯仰电机输出扭矩需求等）作为目标变量，对特征矩阵进行标准化处理，确保每个特征具有相同的尺度；选择LASSO回归的正则化参数，可以通过交叉验证来确定；使用最优的正则化参数值训练LASSO模型；提取LASSO模型中各特征的系数，系数为零的特征将被自动排除，最终得到俯仰机构性能参数，包括俯仰负载力矩、电动缸轴向推力和俯仰电机输出扭矩需求。

[0020] 计算所述俯仰机构性能参数的具体逻辑为：俯仰负载力矩、电动缸轴向推力和俯仰电机输出扭矩需求计算所依据的公式分别为：
；
；
；
式中， 为t时刻的俯仰负载力矩， 为起落架和负载的总质量，为重力加速
度， 表示在t时刻铰接支点 到起落架上负载的重心的距离， 为t时刻起落架的仰角， 为t时刻时起落架及其有效载荷对于铰接支点 的转动惯量， 为t时刻起落架的角加速度， 为t时刻的摩擦力， 为t时刻电动缸轴向推力， 为铰接支点 和 之间的距离， 表示t时刻时电动缸与水平面的夹角， 为t时刻的俯仰电机输出扭矩需求，为俯仰电机传动比，通过已知的电机输出角度和起落架运动角度，可以计算出传动比。

[0021] 其中铰接支点 和 之间的距离 计算所依据的公式为：；
摩擦力 由库伦摩擦、粘滞摩擦和摩擦指数项组成，具体计算公式包括：
；
式中， 为最大静摩擦， 为t时刻的摩擦指数项， 为t时刻的粘滞摩擦，其中摩擦指数项 计算所依据的公式为：
；
式中， 为动摩擦力， 为角速度常数；
粘滞摩擦 计算所依据的公式为：
；
式中，为粘滞摩擦系数。

[0022] 其中，最大静摩擦 可通过实验获取起落架与负载之间的静摩擦系数，根据静摩擦系数通过静摩擦力公式计算得到最大静摩擦，在获取静摩擦系数时，可以通过不同材料的组合进行多次实验，记录不同法向力下的静摩擦力，绘制图表以找出最大静摩擦力。

[0023] 角速度常数的获取方法为：使用旋转编码器或陀螺仪等传感器直接测量系统的角速度，记录数据以获取平均值。

[0024] 粘滞摩擦系数 的获取方法为：可通过实验进行测量，具体步骤包括：将一个物体以已知速度滑动并记录所需的力，利用牛顿第二定律计算出摩擦系数，将被测物体在已知的角速度下旋转，并记录此时所需的驱动力，根据驱动力和已知的角速度计算出粘滞摩擦系数。

[0025] 步骤3：设置约束函数，基于优化目标参数和约束函数建立优化目标函数，以优化目标函数作为适应度函数，通过遗传算法求解最优铰接支点位置，所述最优铰接支点位置为满足迭代条件后最大适应度个体所对应的铰接支点位置；所述约束函数包括：起落架的仰角范围、起落架运动高度范围、起落架与负载的总质量和工作平台长度范围；基于优化目标参数和约束函数建立优化目标函数所依据的公式为：
；
式中， 表示铰接支点 、 和 所对应的优化目标函数，表示起落架的运动
高度， 和 分别表示起落架与负载总质量的最小值和最大值， 为起落架和负载的总质量， 为起落架的仰角， 表示起落架的最大仰角，为工作平台长度， 和 分别表示工作平台长度的最小值和最大值，n为起落架的一个运动周期时间，即起落架从最小仰角运动到最大仰角的工作周期时间，以建立的优化目标函数作为适应度函数，通过遗传算法得到最优铰接支点位置， 、 、 和 分别为总俯仰负载力矩、电动缸轴向推力、俯仰电机输出扭矩需求和起落架与负载总质量的权重系数；其中 且 、
、 和 均大于0。

[0026] 其中，对起落架的仰角范围、起落架运动高度范围、起落架与负载的总质量和工作平台长度范围进行了约束，对起落架的仰角范围即满足工程需要，同时限制仰角可以避免起落架在极端角度下失去平衡，防止翻覆或倾斜；限制运动高度确保起落架能够适配不同任务和环境下的需求，支持与地面或其他设备的有效配合；确定起落架及其负载的最大承载能力，防止因超载导致结构破坏或失控；对工作平台长度范围，即控制了铰接支点的 、和 的位置的取值范围；减少了样本的数量，使得最优解的获取效率提高。

[0027] 对于优化目标函数 ，与机构运动状态的总俯仰负载力矩、电动缸轴向推力和俯仰电机输出扭矩需求成反比，即最优解为能完成俯仰机构完整周期运动，同时总俯仰负载力矩、电动缸轴向推力和俯仰电机输出扭矩需求最小的铰接支点位置；为了防止陷入局部最优解，引入起落架与负载总质量作为优化目标函数 的一部分，且起落架与负载总质量与优化目标函数成正比，即俯仰机构能承受的起落架与负载总质量越大，优化目标函数输出值越大；
由于电动缸轴向推力作为第一优化目标，希望俯仰机构运动所需的推力最小，同时优化俯仰电机输出扭矩需求也相对地小，起落架与负载总质量确定起落架及其负载的最大承载能力，防止因超载导致结构破坏或失控，故设置 且 、 、 和
均大于0。

[0028] 使用遗传算法，通过种群的选择、交叉和变异操作，对初始种群进行迭代操作，直至适应度函数收敛或达到设置的最大迭代次数，本实施例中，通过设置迭代次数为200次，结束迭代后，输出迭代过程中出现的最大适应度值对应的铰接支点位置，共设置m组铰接支点组合以作为初始种群，铰接支点组合包括铰接支点 、 和 的初始位置，以优化目标函数作为适应度函数，通过遗传算法求解最优铰接支点位置，最优铰接支点位置包括 的初始位置 ， 的初始位置 和 的初始位置 。

[0029] 步骤4：分析俯仰机构运动误差和环境误差，基于得到的误差值，对最优铰接支点位置进行修正，得到最优铰接支点位置精确值，所述运动误差包括几何误差和振动误差，所述环境误差为温度误差。

[0030] 分析俯仰机构运动误差和环境误差，所依据的逻辑为：获取几何误差，所述几何误差包括加工误差和装配误差，在加工装配时，由于加工精度和装配精度的限制，机构零件自身以及零件之间产生的误差，标定加工水平误差为 ，加工垂直误差为 ，装配水平误差为，装配垂直误差为 ；几何误差主要表现在铰链座之间，不同的几何误差会导致电动缸举升传动比出现不同程度的误差，由于受到加工精度和装配精度的限制，几何误差是始终存在的。

[0031] 基于电动缸的振动加速度，计算起落架的位移数据，具体所依据的公式为：；
式中， 表示在0至n的时间段内电动缸的理想位移， 为t时刻的振动加速度；
基于起落架的理想位移计算由于振动误差引起的水平和垂直方向的偏移量，由于振动误差引起的水平和垂直方向的偏移量计算所依据的公式为：
；
；
式中， 为振动误差引起的水平偏移量， 为振动误差引起的垂直偏移量，
为n时刻时起落架模拟位移与理想位移的差值， 表示在n时刻起落架的仰角；其中计算所依据的公式为：
；
式中， 表示起落架的模拟位移，通过对俯仰机构有限元模型分析获得；
所述环境误差包括温度误差，计算俯仰机构铰支座在工作环境温度下，所产生的温度形变，其中计算由于温度变化导致的铰支座的形变量所依据的公式：
；
式中， 为铰支座的形变量，为电动缸材料的线性热膨胀系数， 为铰支座的初始长度； 为环境最高温差，其中环境最高温差 指俯仰机构从静止状态到运行结束，期间存在的最大温差。

[0032] 基于得到的误差值，对最优铰接支点位置进行修正，得到最优铰接支点位置精确值，其中，对于铰接支点 和 考虑几何误差和温度误差，对于铰接支点 考虑几何误差、振动误差和温度误差，其中修正后的铰接支点 的最优铰接支点位置精确值表示为：；
修正后的铰接支点 的最优铰接支点位置精确值表示为：
；
修正后的铰接支点 的最优铰接支点位置精确值表示为：
；
式中， 和 表示铰接支点 经过遗传算法得到的最优铰接支点位置坐标，
和 为铰接支点 的最优铰接支点位置坐标， 和 为铰接支点 的最优铰接支点位置坐标。

[0033] 上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

[0034] 上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够通过电子硬件，或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方法来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。

[0035] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0036] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。