应用数值解析结合法求解机器人工作空间体积

机器人工作空间体积的求解是机器人优化设计和使用中一个非常关键的问题。本文采用一种基于随机概率的数值方法,根据关节空间到工作空间的映射关系,得到了三维机器人工作空间。通过深入的研究二维、三维图形的微分几何关系,在沿Z方向得到每一层的边界曲线基础上,采用曲线包络的解析方法得到了三维工作空间曲面的形状。采用数值积分的方法对工作空间体积进行了计算,并通过一个例子说明了该方法的具体使用。     

三维机器人工作空间及几何误差分析

机器人工作空间的分析和求解是机器人机构设计过程中一个非常重要的问题。本文采用基于随机概率的蒙特卡罗方法,根据关节空间到工作空间的映射关系,得到了机器人机构工作空间。因为常见的机器人属于三维空间机构,所以在以前工作的基础上,将概率方法推广到对三维机器人机构工作空间的求解上。通过深入地研究二维、三维图形的微分几何关系,在沿z方向得到每一层的边界曲线基础上,采用曲线包络的方法得到了三维工作空间曲面的形状。通过一个例子详细说明了该方法的具体使用。最后对三维工作空间进行了几何误差分析,并说明了该方法对工程实际问题的应用价值。     

冗余平面并联机器人工作空间分析及轨迹规划

针对固高三自由度冗余并联平面机器人的结构特点,首先对其正向运动学特性进行了分析,然后对并联机器人的工作空间进行了确定。由于末端执行点位于工作空间不同区域时,反解表达式不同,所以对三自由度冗余并联平面机器人的逆向运动学的特性进行了分段考虑,并由此确定了关节的转角运动范围。随后,采用线性插值方法对关节空间轨迹规划进行了研究和仿真。实验结果证明了并联机器人工作空间和轨迹规划的正确性。     

基于数值算法和CAD的机器人工作空间三维建模

机器人操作臂三维工作空间的精确计算对于它的设计和应用非常重要。文中介绍了一种基于数值算法和CAD的新方法来创建机器人的三维工作空间。该方法采用一种基于随机概率和前向运动学的数值方法,在其主工作空间横向剖面生成由点云构成的3D机器人的平面工作空间,描绘平面工作空间的边界曲线,最后生成机器人工作空间的3D模型。文中用实例阐明了该方法的实用性。     

连续型机器人运动学的平面圆弧法建模与实验研究

针对当前连续型机器人的运动学逆解求解复杂、低效这一问题，提出了一种基于平面圆弧法的运动学建模方法，其具有运动学逆解求解简单、高效的特点。利用该方法在平面内拟合连续型机器人的弯曲运动形状，建立其运动学模型，分析其驱动空间、关节空间和操作空间的映射关系，并描述其工作空间。分析连续型机器人在平面内弯曲形状的几何约束，建立关节空间变量之间的数学关系，降低求解复杂逆运动学问题的难度。对机器人末端执行器的位置和驱动线长度变化曲线进行仿真分析，求解逆运动学的有效解，并研制原理样机进行样机实验，实验表明该运动学模型的正确性以及逆运动学求解方法的有效性。     

7自由度自动铺丝机器人参数化的自运动流形

提出了一种分析冗余自由度机器人运动学逆解的自运动流形方法。对冗余自由度机器人工作空间中的点,根据关节空间流形和工作空间流形之间的映射关系,采用点的自然坐标作为独立的运动参数来分析冗余自由度机器人的自运动流形,然后把所提出的方法应用到7自由度自动铺丝机器人的自运动流形分析中,得出7自由度自动铺丝机器人的自运动流形。把采用参数化分析方法得到的7自由度自动铺丝机器人的自运动流形曲线和采用数值方法得到的自运动流形曲线进行对比,结果发现,采用参数化的分析方法得到的自运动流形曲线和采用数值方法得到的自运动流形曲线高度吻合,所以采用参数化的分析方法来求解冗余自由度机器人的自运动流形,是求解冗余自由度机器人运动学逆解的一种有效方法。     

弧焊机器人焊枪姿态的简便示教

弧焊机器人焊接空间搭接焊缝时,对于焊枪姿态的示教往往占据了大量的示教时间。为此,提出一种焊枪姿态的简便示教方法。该方法采用根据几何约束计算焊接时焊枪姿态的思路完成焊枪姿态的示教。先以任意焊枪姿态对焊缝进行位置示教,然后根据焊缝的切向矢量和焊接工艺要求的焊枪角度计算出焊接时的焊枪姿态。对于三维曲线焊缝,只有当局部焊接平面与基坐标系的Oyz平面不垂直时,需要进行简单的焊枪姿态示教,示教时只须调整机器人绕工具坐标系一个轴转动的角度即可完成。使用该方法可以显著地减少示教难度和示教时间,提高姿态示教的精度。详细介绍焊枪姿态的描述方法、焊接方向角的计算方法和焊枪姿态的调整方法等关键技术。使用搭接曲线焊缝进行试验验证,证明了该方法的可行性。     

平面超冗余机构基于脊线初始位形的避障研究

研究超冗余度机器人的避障问题具有重要的应用意义.首次通过对基于脊线表达的平面超冗余度机器人机构的实际工作空间的分析,提出了一种简单的基于脊线初始位形规划的避障方法.给出的一个平面十杆超冗余度机器人机构的算例证明了所提方法的有效性.     

球面三自由度并联机器人可达工作空间的研究

建立了球面三自由度并联机器人机构的空间模型,给出了该并联机器人的可达工作空间确定、形状表达和工作空间面积计算方法,全面而系统地研究了该机器人的工作空间面积与尺寸之间的关系,绘制了可达工作空间面积性能图谱,并归纳出相应的变化规律。这些结果对设计球面三自由度并联机器人具有重要的参考价值。     

空间四杆机构步行机设计与仿真

将一种空间闭链RSTR机构应用到步行机设计中,通过对该机构进行运动分析,借助Pro/E仿真,得出步行机的足端运动轨迹曲线,并与现有的一种平面曲柄摇块步行机器人运动轨迹曲线进行了比较。结果表明,RSTR步行机在行走过程中,重心较平稳,速度也较均匀。由于RSTR步行机采用的是单自由度闭链机构,因此,它比多自由度空间开链机构的步行机控制简单。     

机器人奇异曲面及工作空间界限面分析的数字-符号法

提出了一种求解运动副转角或移动有限制的机器人的工作空间界限曲面的方法 ,该方法将工作空间分析的问题转化为特定条件下的奇异位形分析问题 ,引入了数字 -符号处理技术 ,可根据位置分析的递推公式 ,由计算机自动推导出工作空间边界曲面及位置奇异曲面的曲面方程。由此描绘出了机器人工作空间边界曲面及位置奇异曲面的截面曲线图。     

6-SPS并联机器人工作空间的边界曲面分析方法

提出了一种并联机器人工作空间分析的解析方法。该方法以曲面分析为基础 ,结合并联机器人的运动特性 ,得到了并联机器人工作空间边界曲面的方程。以 6 - SPS并联机器人为例 ,分析计算了其工作空间。在此基础上 ,描绘出了 6 - SPS并联机器人工作空间边界曲面的投影视图及截面曲线图。分析结果表明 6 - SPS并联机器人的理论工作空间是由 30张曲面片包围而成的闭包     

关节型工业机器人工作空间及结构尺寸参数的一种确定方法

提出了一种适用于工程设计的确定关节型工业机器人工作空间及结构尺寸参数的简易而又实用的方法。根据机器人工作空间主视图边界曲线上特定的三点座标值，利用数值计算方法就可以确定机器人的结构尺寸参数（大小臂长度Ｌ１和Ｌ２的值，及其旋转角θ１和θ２的极限值），再根据这些结构尺寸参数确定机器人的工作空间。另外依此编制了相应的软件Ｒｏｂｓｐａｃｅ，只要输入三点的座标值及机器人机座的高度和机座旋转角度，便能确定机器人结构尺寸参数及其工作空间，并能显示、打印结构尺寸参数结果及工作空间边界曲线。     

并联微操作手运动空间分析

工作空间分析是设计微操作手的一个重要因素。对微操作手的定姿态工作空间和不定姿态工作空间进行研究：对定姿态工作空间采用一维搜索法求得边界点;对不定姿态工作空间,利用微操作手的微动特性,使用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ法求得工作空间的边界曲面。用实例进行仿真计算,同时考察结构参数对工作空间的影响,得到一些规律性的变化关系,结果可以指导微操作手实际结构参数的确定。     

八面体变几何桁架机器人工作空间分析的解析法

提出了八面体变几何桁架机器人工作空间分析的解析方法,得到了八面体变几何桁架机器人工作空间边界曲面的解析方程,并在此基础上纵出了工作空间边界曲面的图形。分析计算结果表明,八面体变几何桁架机器人的工作空间是由30张曲面片包围而成的闭包。     

机器人工作空间求解的蒙特卡洛法改进和体积求取

针对传统的蒙特卡洛法求解机器人工作空间时精确度不够的问题,提出了一种改进的蒙特卡洛法。用传统的蒙特卡洛法生成一个种子工作空间,基于标准差动态可调的正态分布对种子工作空间进行扩展。在扩展过程中设定一个精度阈值,确保得到的工作空间中每个位置都能被准确的描述。基于得到的工作空间,提出了一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。为了验证算法的有效性和实用性,以九自由度的超冗余串联机械臂为例,对本文改进的蒙特卡洛法和提出的体积求取算法进行仿真分析。结果表明:采样点数量相同时,改进的蒙特卡洛法生成的工作空间边界光滑,"噪声小";得到精确的工作空间时改进方法需要的采样点数仅是传统方法的4.67%;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;求得的工作空间体积可用于评估机械臂性能,为后续机械臂构型优化奠定了理论基础。     

电力铁塔攀爬机器人工作空间的3种求解方法

在对现有的机器人工作空间求解方法分析总结的基础上,分别采用蒙特卡洛法、定步距角法及仿真法求解电力铁塔攀爬机器人工作空间,并从图形效果、分析方法、用时及适用场合4个方面对其进行了比较,选择定步距角法为求解攀爬机器人工作空间的最优方法。通过对工作空间降维提取二维边界曲线并生成三维曲面的方法分析机器人工作空间边界,采用数值法求解了工作空间体积,为机器人结构优化设计、路径规划及运动控制提供了理论依据。     

Feasible workspace regions for general two-revolute manipulator

In this paper, a topology is presented for feasible workspace regions in general two-revolute manipulators. The design problem and concept of feasible workspace regions have been discussed as linked to each other. Design equations are formulated by arbitrarily prescribing four workspace boundary points. The so-called feasible workspace regions are the intersection of three different sub-regions, which are given by constraint curves as function of the relative positions of three workspace boundary points. By using a parametric study, all topologies for three sub-regions are figured out. Corresponding areas in cross section plane are determined for prescribing the position of a feasible workspace point as function of the topology for sub-regions. A classification has been proposed to determine and to characterize the combination of the topologies for those sub-regions. All topologies for feasible workspace regions are figured out and they are discussed as a design tool. Three general cases are analyzed in details to characterize workspace design capabilities for general two-revolute manipulators.     

A methodology for smoothing of point cloud data based on anisotropic heat conduction theory

It is necessary to smooth point cloud data in reverse engineering or the inspection of free-form surfaces because noisy points will have a negative influence on the post-processing of this data. The big problem in smoothing point cloud data is how to solve the dilemma between removing noisy points and keeping feature boundary information, whilst controlling the diffusiveness of noisy points. In this paper, the theory of anisotropic heat conduction is adopted to establish a mathematical model of point cloud data smoothing. The point cloud data can be considered as a temperature field with an adiabatic boundary. So the heat is only conducted inside the temperature filed and has no effect on the outer side. For point cloud data, it means that the smoothing is only on the local area, which makes a good balance between deleting noisy points and keeping feature boundary information. The method has been implemented by using two cases for practical application, and the result proves its efficiency.     

基于工作空间分析的9自由度超冗余串联机械臂构型优化

提出基于工作空间分析解决超冗余串联机械臂构型选择问题的方法。首先,采用正态分布对求取机器人工作空间的蒙特卡洛法进行改进。用归一化可操作度指标分析机械臂运动的灵活性,用数值仿真的方法得到了最大可操作度值与随机关节角组合的数量之间的关系,提出求取灵活工作空间的算法。其次,基于得到的工作空间,提出一种体元化算法求取工作空间的体积,寻找到工作空间的边界部分和非边界部分,通过对边界部分的不断细化,降低了体积求取误差。然后,分析多自由度串联机械臂构型设计方法,针对9自由度超冗余串联机械臂,确定出了36种待选择的构型方案。仿真分析9自由度超冗余串联机械臂的工作空间,在待选构型中选取了一组最优构型。结果表明：改进的蒙特卡洛法生成了精确的工作空间;体积求取算法效率较高,相对误差小于1%;所选构型的工作空间指标优于已研制的构型,其中可达工作空间体积提高了26.49%,灵活工作空间体积提高了36.63%。