积木式教育机器人三维仿真平台的设计与实现

针对目前积木式教育机器人缺少仿真软件的缺点,结合现代先进制造技术及机器人仿真技术,提出了一种集机器人设计、控制程序编写、三维动态仿真为一体的机器人仿真平台。建立了仿真平台的分层框架结构,在给出机器人零件表达模型的基础上,结合关节型教育机器人装配特点,提出一种面向积木教育机器人的快速装配方法,给出了机器人动态物理仿真环境的实现方法,并建立了机器人的虚拟控制系统。最后,利用开源软件和C++编程环境对三维仿真平台进行了实现,实际应用表明该仿真平台具有很好的应用效果。     

复杂产品装配干涉矩阵自动生成方法

现有装配干涉矩阵生成方法极其耗时,且无法精确检测面片模型,难以应用于大装配模型的复杂产品。为此,引入基于投影的干涉检测方法,将三维求交问题转换为二维问题。其中,基于包围盒十字相交可直接检测出零件平移产生的硬干涉,扩展了包围盒的功能;利用层次化的虚设面进行模型的三角面片区域规划和相交运算,大幅度减少干涉检测中的三角面片求交次数,显著降低算法时耗;进行基于表示精度的二维三角面片求交,消除检测对象在曲面贴合处的伪干涉,并基于三角面片包围盒等判断干涉的正负方向。在此基础上,提出全面的装配干涉矩阵生成算法。开发Aero Assem装配设计系统,实现了该方法,并以某汽车前轴模型为例进行了应用验证,证明该方法在保证精确性的同时极大地提高了算法效率,能够有效应用于复杂产品的装配设计中。     

基于STL数据的快速原型分割制作算法研究

针对快速原型尺寸超过成型机成型空间尺寸这一实际制造问题，提出了一种大型快速原型分割制作方法。根据STL文件的特点，建立了一个有效的截面三角剖分算法。分析了分割后各部分子零件中三角面片的特点，提出并实现了子零件STL文件生成算法。扩大了快速原型的应用范围，提高了制造效率。     

基于XML的CAD与XNA的信息转换

针对CAD与虚拟装配环境XNA之间的信息转换问题,提出了一种模型信息转换技术。构建了一种面向虚拟装配的层次化装配信息模型,该信息模型由产品层、子装配体层、零件层、特征层、几何层、三角面片层六层拓扑结构组成;根据模型信息分解方法,将模型信息分解为几何信息、装配信息以及面片信息等,使用Pro/ToolKit二次开发工具实现了对模型装配信息的提取,并通过对模型面片信息的转换,解决了CAD系统与XNA虚拟装配环境间的信息转换问题。利用构建的XNA虚拟装配平台对该技术进行了验证。     

带有装配定位系统的STL模型直接生成算法研究

提出了在分割STL模型上直接添加装配定位系统的方法。分析了分割后各子零件STL文件中三角面片的特点，建立了有效的带有装配定位系统的STL模型直接生成算法，保证了完整原型的尺寸和形状精度。     

复杂曲面加工工业机器人轨迹生成算法

提出了一种面向复杂曲面加工的工业机器人轨迹生成算法。该算法可用在工业机器人离线编程系统中;通过CAD/CAM技术完成复杂曲面的建模,并提取其STL文件格式数据;根据三角面片各点坐标在切片方向上投影的最大和最小值反求与此三角面片相交的切平面,并对三角面片分组,然后推导出三角面片边上相邻交点的增量公式,最后通过机器人编程得到复杂曲面的加工运动轨迹。仿真结果表明,该算法稳定可靠,而且可以生成任意复杂曲面的加工运动轨迹。     

基于零件属性EMD测度的装配体模型检索

提出一种利用EMD算法计算装配体中零件属性矢量差值,实现装配体模型检索的算法.装配体中各零件按照其位置、转动惯量、体积和表面积信息生成属性矢量,组合全部零件的属性矢量,形成集合作为装配体的描述符.使用EMD算法计算装配体模型间零件匹配的最低成本,也即获得装配体模型间的非相似度值,实现装配体模型检索.实验证明使用零件属性矢量集合描述装配体模型直接明了,无需预处理,该检索算法具有高鲁棒性、高查全率、快速的特点.     

基于机器视觉的自动化装配系统设计

为了加快中国产业升级,机器视觉和工业机器人是改变手工装配模式的重要手段。机器视觉作为一种用于识别物体、从数字图像中提取和分析物体信息的技术,已被广泛应用于工业生产中。为了进一步推动机器视觉应用于自动化装配系统,文章提出与机器视觉系统相结合的自动装配系统的原型。在机器视觉系统中,开发一系列定位算法,并用图像校准以获得机器人拾取和放置过程的正确坐标。测试表明,系统能够正确检测和识别装配空间的形状和方向,从而实现零件的拾取和放置过程。     

面向增材制造的机器人轨迹自动生成技术

针对同轴送粉激光熔覆成形复杂曲面的工艺过程中,机器人轨迹规划困难的问题,提出一种从CAD模型自动生成机器人加工轨迹的新方法,以提高机器人熔覆的效率。首先对复杂曲面零件模型进行分析,采用拉普拉斯算子的方法对网格模型进行了优化。根据立体光刻模型提取零件的几何信息,基于三角面片边的拓扑关系重建三角面片的拓扑关系,通过包围盒的方法生成沿逆时针方向的机器人轨迹,利用仿真实验动态地演示了熔覆过程。最后,通过熔覆实验验证了该方法生成机器人轨迹的可行性。     

虚拟装配中基于生理约束的虚拟手建模与抓持规划

为控制虚拟手准确合理地完成虚拟零件的抓握动作,以方便快捷地实现虚拟装配仿真,在深入分析人手的解剖结构和关节运动生理约束的基础上,提出利用层次结构并借助三维虚拟现实软件EON,建立虚拟手几何模型和实现抓持控制的方法.该方法将手指简化为三关节连杆结构,采用逆向运动学方法,针对待拾取零件的位置计算出在目标位姿下各运动关节的角度值.进而利用关节插值方法,以迭代的方式实现对手部关节链上各个关节的运动控制,仿真结果验证了上述方法的可行性与实时性.     

基于断层序列图象的三角域拓扑模型快速剖分算法研究

介绍了一种对三角域拓扑模型进行任意截面快速剖分的算法:在断层序列图象的三维重建过程中,划分并规整三角面片,然后以空间立方体序列的形式进行组织,得到具有清晰毗邻关系和索引结构的表面模型。在以任意角度截面剖分模型时,根据空间立方体的索引关系快速检索被切割到的三角面片,依次进行剖切处理,最终得到三维模型的任意剖面轮廓线。该算法在实际中得到应用,效果良好。     

基于模型表示精度的装配干涉检测方法

为了提高装配规划和仿真过程中干涉检测结果的精度,基于模型表示精度定义干涉误差,提出基于模型表示精度的三角面片二维和三维求交方法,计算相交面片之间的干涉量,修正干涉量在误差范围内的面片关系,从而消除伪干涉。给出了改进的装配干涉检测算法和流程,根据检测对象的运动轨迹分别采用投影检测方法与多次检测方法,以在保证精度的同时达到高效率。该算法适用于任何形状和类型的曲面模型,且不需要几何拓扑结构与装配约束信息,具有广泛的应用性。在AeroAssem系统中实现了该方法,分别在几何可拆卸性分析与装配仿真中进行实例验证,证明了该方法的有效性和精确性。     

基于STL文件的实体分割算法研究

由于快速成型机加工尺寸的限制,难于制造尺寸较大的零件。针对这一问题本文提出一种基于STL文件格 式的实体分割算法,对STL文件分割过程中的关键问题进行了详细地论述,包括:截面轮廓的生成,截交三角面片的 处理和截面轮廓的三角化算法;通过对STL文件的分割处理,提高了快速成型系统对大尺寸零件的制造能力。     

散乱三维测量数据构建三角形网格模型的研究

三角网格模型广泛应用于曲面重构、快速原型制造和三维真实感显示等领域.针对三维测量得到的无拓扑关系的散乱无序点集,提出了一种三角网格模型构建算法.首先进行点云粗分组,然后从最高点根据Delaunay划分原则,按照循环扩展的思路生成三角形网格.通过控制合适的三角形生长条件,有效避免了三角面片交叉错乱、退化、法向量不一致缺陷.应用实例表明,该算法能有效完成各类复杂型面三维测量数据的三角网格模型构建.     

基于自由度约束与正弦摩擦补偿的遥控器装配策略

为解决遥控器装配等组装场景非规则外形零件装配问题，提出一种基于自由度约束与正弦摩擦补偿的装配策略设计方法。首先，该方法分析待装配体几何特征，利用接触状态的自由度约束方程设计装配动作，通过不同接触状态之间的迁移逐步约束待装配体之间的相对自由度；之后，针对常用摩擦力补偿算法受静摩擦力影响较大问题，提出一种基于正弦摩擦补偿的摩擦模型，用于补偿静摩擦力。同时，基于无力传感器的关节阻抗算法框架设计运动轨迹和外力，并判断装配状态迁移条件，有效提升装配成功率。实验结果表明，静摩擦补偿后的关节阻抗控制算法明显提升了静力感知性能，提出的装配策略在非规则外形零件组装场景成功率达94%,装配过程的机器人末端出力不超过20 N,可保证在装配力较小条件下以较高成功率完成装配。     

面向广义特征的机器人零件模型表达及XML描述

结合机器人零件模型的特点及机器人三维仿真平台的需求,提出了一种面向广义特征的机器人零件模型表达方法。该方法引入广义特征的概念,根据需求将机器人零件模型信息分为不同的广义特征,通过特征间的组合实现机器人零件模型的全面表达;随后基于XML数据表达技术,给出了一种机器人零件模型信息的描述方法,提出了零件模型的XML表达模式,为机器人模型信息的XML表达建立了基本规范。     

电驱动重载六足机器人关节转速分析方法

为合理匹配电驱动重载六足机器人关节的驱动装置和传动装置,提出一种快速、精确获得关节转速的方法。基于某一关节转动以实现机器人最大步行速度指标,建立该关节转角与机器人最大步行速度指标的数学关系式,研究螃蟹型三角步态下的髋关节和膝关节在最小摆角和最大摆角时的相应输出转速以及蚂蚁型三角步态下的跟关节输出转速,并获得跟关节转角和转速随髋、膝关节夹角的变化趋势。根据ADAMS软件和研制的机器人单腿与样机,进行关节转速的仿真验证和试验分析,分别获得机器人承载平台重心的速度曲线和关节伺服电动机脉冲数曲线。仿真和试验结果表明,机器人关节转速分析方法具有合理性和有效性,能够可靠地应用于重载多足机器人的研制。     

CAD系统与虚拟装配系统间的信息集成技术研究

针对商品化计算机辅助设计系统与虚拟装配系统间的数据转换问题,提出了一种虚拟装配环境下的零件信息层次表达结构模型,该模型由面片层、几何层、特征层和零件层组成;给出了虚拟装配环境下零件信息模型的重构方法,通过对计算机辅助设计系统中零件信息的提取和虚拟装配环境中零件信息的重构,较好地解决了商品化计算机辅助设计系统与虚拟装配系统之间的数据集成问题;建立了虚拟装配原型系统,验证了研究结果的可行性。     

基于蚁群算法的选择装配

选择装配是一种由低加工精度零件获得高精度装配件的方法,可归纳为一个组合优化问题,蚁群算法是解决这类问题的有效方法.综合考虑选择装配中的匹配率和匹配精度,提出以综合装配质量指标为选择装配的目标函数.为了求解选择装配的组合优化问题,在蚁群算法的框架内提出一个考虑信息素分布为节点模式的蚁群算法解构造图模型,并详细讨论蚁群算法的实现过程.通过对实例的仿真计算,考证该方法的实效性.     

BRIEF算法在基于增强现实的产品装配引导中的应用研究

面向增强现实环境下采用零件自然特征的装配引导应用,提出一种基于BRIEF算法的虚实装配场景注册融合方法。利用BRIEF算法进行装配零件图像自然特征的提取,建立零件图像的特征描述符。通过海明距离进行装配引导过程中零件图像特征描述符的匹配,实现虚实装配零件的注册;同时将虚拟装配信息在真实装配场景中叠加,用于引导用户完成装配作业过程。实验结果表明:利用该算法进行虚实注册具有较好的鲁棒性和实时性,能够较好地应用于增强现实环境下的产品装配引导过程中。