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机器人机构方位特征集自动生成算法

更新时间：2019-12-30 13:09:38 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对传统结构分析方法效率过低且难以得到完备结果的现状,将机器人机构学理论与现代计算机技术相结合,提出了机器人机构拓扑结构的数字建模方法,并给出方位特征集自动生成算法及流程。首先,提出拓扑结构组成要素的数学描述方法以及相应的数据结构,得到机器人拓扑结构的数字模型。然后,在揭示出方位特征集本质内涵的基础上,利用线性相关性理论制定相应的运算规则,进而提出方位特征集的自动生成算法和流程。最后,结合具体实例验证了上述数字建模方法和方位特征集自动生成算法的有效性。


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1577682573机器人机构方位特征集自动生成算法.pdf 2M

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2 0 1 8  
1
农 业 机 械 学 报  
49  
1
卷 第 期  
年
月
第
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2018． 01． 050  
机器人机构方位特征集自动生成算法  
1，2  
1
1
3
叶梅燕  
石志新 罗玉峰 杨廷力  
( 1．  
，
南昌大学机电工程学院 南昌  
330031; 2．  
，
南昌大学理学院 南昌  
330031; 3．  
，
中国金陵石化公司 南京  
210037)  
: ，  
摘要 针对传统结构分析方法效率过低且难以得到完备结果的现状 将机器人机构学理论与现代计算机技术相结  
， ， 。 ，  
合 提出了机器人机构拓扑结构的数字建模方法 并给出方位特征集自动生成算法及流程 首先 提出拓扑结构组  
， 。 ，  
成要素的数学描述方法以及相应的数据结构 得到机器人拓扑结构的数字模型 然后 在揭示出方位特征集本质  
， ， 。 ，  
内涵的基础上 利用线性相关性理论制定相应的运算规则 进而提出方位特征集的自动生成算法和流程 最后 结  
。
合具体实例验证了上述数字建模方法和方位特征集自动生成算法的有效性  
: ; ; ;  
关键词 机器人机构 数字建模 方位特征集 自动生成算法  
: TH112 : A : 1000-1298( 2018) 01-0397-07  
文献标识码 文章编号  
中图分类号  
Automatic Generation Algorithm of Position and Orientation  
Characteristic Set for Robot Mechanisms  
1，2  
1
1
3
YE Meiyan  
SHI Zhixin LUO Yufeng YANG Tingli  
( 1． School of Mechanical and Electronic Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China  
2． School of Science，Nanchang University，Nanchang 330031，China  
3． Jinling Petrochemical Corporation，Nanjing 210037，China)  
Abstract: Kinematic and dynamic performances of a robot mechanism is，to some extent，determined by  
its topological structure，so topological structure analysis and synthesis is an important tool to research  
and application of robot mechanisms． However，there is still no software for automatic structure analysis  
of robot mechanisms． The efficiency of manual analysis method is too low and it is difficult to get a  
complete result． In order to solve this problem，a digital modeling method for topological structure of  
robot mechanisms was proposed，and the automatic generation algorithm for position and orientation  
characteristic set ( POC) of robot mechanisms was presented． The digital modeling for robot mechanisms  
was showed，including mathematical description of topological structure elements and the corresponding  
data structure． Secondly，the essence of POC set was uncovered，and the operation rules of POC for  
serial and parallel robot mechanisms were formulated based on the theory of linear dependence．  
Furthermore，the automatic generation algorithms of POC for serial and parallel robot mechanisms were  
achieved． Finally，five examples were provided to verify the efficiency of the digital modeling method and  
automatic generation algorithm mentioned above． The digital modeling method for topological structure  
and automatic generation algorithm of POC presented would be parts of the software being developed for  
automatic structure analysis and synthesis of robot mechanisms．  
Key words: robot mechanism; digital modeling; position and orientation characteristic set; automatic  
generation algorithm  
。
，
对于平面机构而言 其拓扑结构自动分析与综  
一
0
引言  
［1 － 5］  
，
合方法 国内外学者已作了大量研究  
。
，
然而 空  
拓扑结构分析与综合是机构学的核心问题之  
间机构的拓扑结构分析与综合方法大多局限于理论  
: 2017 － 05 － 04  
: 2017 － 06 － 09  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家自然科学基金项目  
( 51365036、51475050)  
:
作者简介 叶梅燕  
( 1978—) ， ，  
， ，  
女 讲师 博士生 主要从事机器人机构学研究  
，E-mail: yemeiyan@ ncu． edu． cn  
，E-mail: shizhixin@ ncu． edu． cn  
:
通信作者 石志新  
( 1979—) ， ， ， ，  
男 副教授 博士 主要从事机器人机构学研究  
398  
2 0 1 8  
农
业
机
械
学
报
年
， ， ，  
研究 主要采用手工枚举方式 效率较低 而且难以  
1; 2;  
持平行记为 轴线垂直记为 轴线相交记为  
3;  
轴
。 ，  
得到完备结果 为减少相关技术人员的工作量 与  
4; 5;  
线共面记为 其他恒定关系记为 若两运动副轴  
，
现代计算机技术相结合 研究机器人拓扑结构自动  
6。  
线方位关系不恒定则记为  
，
分析与综合理论和方法 并开发相应的计算机辅助  
C
各运动副两两之间的方位关系用邻接矩阵  
，
设计软件 是一项具有重要理论和应用价值的课题  
。
。
、
来表示 各支链在静 动平台间的装配关系分别用  
( 3 )  
个以上 运动副轴线  
3
J
J
。
机器人拓扑结构分析与综合主要存在如下  
种
矩阵  
保持恒定的关系 则用字符串做辅助说明 例如 多  
( R ，R ，…，R ) =  
和
表示 若多个  
1
2
［6 － 8］  
:
方法 基于螺旋理论的方法  
、
，
。
，
基于位移子群的方  
［9 － 10］  
［11 － 16］  
、
。
，
其中 位移  
1
法
基于方位特征集的方法  
个运动副的轴线汇交于 点记为  
1
2
i
(
子群方法由于运算规则过多 达  
107 ) ，  
种 不利于编  
3;  
多个运动副轴线平行于同一平面记为  
…，R ) = 4。 1。  
( R ，R ，  
1 2  
，
程实现 目前尚无基于该理论的自动分析与综合方  
有关符号说明详见例  
i
［17］  
。
法的文献报道 曹文熬 基于螺旋理论研究了空  
3 1  
拓扑结构 要素采用图 所示的树型数据结构  
，
， 。  
表示 便于计算机存储和操作  
间多环耦合机构的拓扑结构自动分析与综合方法  
， (  
但约束螺旋具有瞬时性 因此需要进行全周性 非  
［18］  
［19 － 20］  
)
瞬时性 判定  
。
廖明等  
基于方位特征集理  
，
论研究了并联机构的符号化描述 并提出了方位特  
，
征集的自动推导方法 但未能给出相应的算法流程  
。
本文拟将机器人机构学理论与现代计算机技术  
， ，  
相结合 提出机器人拓扑结构的数字建模方法 然后  
，
基于该数字模型 研究方位特征集的有关运算规则  
，
1
图
并联机构的树模型  
，
进而给出相应的自动生成算法和流程 最后结合具  
Fig． 1 Tree model of parallel mechanisms  
。
体实例对该方法的有效性进行验证  
1
如图 所示  
，P  
R
i
表示并联机器人的第 条  
和
ij  
ij  
1
机器人拓扑结构的数字建模方法  
j ; C i  
支链上第 个运动副的类型 表示第 条支链中运  
i
( )  
对拓扑结构特征的数学描述 数字建模 是机  
; L i  
中存储第 条支链的  
i
动副轴线的方位关系矩阵  
; J  
方位特征集 中存储各支链在动静平台之间的方  
器人拓扑结构自动分析与综合程序化实现的前提和  
。 :  
关键 理想的数字模型应具有下述优点 ①能够准  
; M 。  
位配置关系 中存储动平台的方位特征集 树中  
的叶子作为并联机器机构方位特征集自动生成算法  
、 。  
确 完整表达机器人机构的拓扑结构特征 ②便于  
、 、  
计算机存储 检索 计算等操作  
。
， ，  
的输入 树的根节点作为输出 每一条支链是一个  
1. 1  
。
机器人拓扑结构的数字描述  
机器人机构的拓扑结构包括如下 要素 ①运  
子树  
3
:
1. 2  
拓扑结构数字模型实例  
， 、 、 、 、  
动副类型 如转动副 移动副 圆柱副 球副 胡克铰  
(
2)  
4 ，  
条支链结构均相同  
已知并联机构 图  
各运动副轴线方位关系为  
i = 1，2，3，4。4  
条支链在静平台上  
的
。
，
②尺度约束类型 即构件为其所连接的运动副  
: R  
R
R
R
R
且
等
‖
‖
⊥
i1  
i2  
i3  
i4  
i4  
，
轴线之间的相对位置和方向提供几何约束类型 按  
R
，
与
共点 其中  
i5  
: 、 、 、  
方位关系可归纳为 平行 垂直 共点 共面以及其他  
，4  
的运动副轴线共面 条支链在动平台上的运动副  
。
。
③各支链在动静平台之间的方位配置关系  
等
3
下面给出上述拓扑结构 要素的描述方法以及  
。
它们在计算机中的数据存储结构  
机器人机构的运动副类型较多 可采运动副等  
效替换的方法将它们简化为只含转动副和移动副  
，
2
。
， 3 1  
例如 球副等效为 个轴线汇交于 点的转  
种
， 2 ，  
动副 胡克铰等效为 个轴线垂直正交的转动副 圆  
。 ，  
柱副等效为共轴的转动副和移动副 因此 运动副  
(
类型可采用字符串 由  
R
P )  
组成 的形式进行  
和
。
记录  
2
(
并联机构的结构简图 例  
1)  
尺度约束类型和各支链在动静平台之间的方位  
图
Fig． 2 Structure diagram of parallel mechanism( example 1)  
:
配置关系按如下规则进行记录 若两运动副轴线保  

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