面向复杂形体表面操作的工业机器人路径规划与仿真研究

摘要

随着社会用工成本不断上升，工业机器人的应用越来越广泛。在工业机器人的生产作业中，其面向的被加工对象也越来越复杂。因而，研究复杂形体表面的机器人作业方法，对提升我国工业机器人加工技术具有重要意义。本文针对复杂形体表面作业，提出了工业机器人路径规划与仿真方法。首先，对给定的复杂形体，利用人机交互勾绘和特征提取技术，并结合位姿数据转化和属性操作，快速完成工业机器人任务路径的设计。其次，通过构建模型的自适应层次包围盒，并根据机械臂结构和非接触角分析，实现工业机器人的快速碰撞检测。再次，利用遗传算法规划形体表面路径加工的序列，并通过碰撞检测模型筛选出非碰撞作业路径。最后，通过工业机器人仿真系统验证了本文研究成果的可行性。本文主要研究内容如下:
　　研究了复杂形体表面机器人作业任务路径快速构建技术。通过形体表面交互和点间切割操作，快速构建与形体表面紧密贴合的几何路径;针对难以精确勾绘的模型边界，通过几何和拓扑关系提取特征边，并对于特征边序列化，从而完成形体边界的几何路径快速构建;对构建的几何路径进行机器人任务路径的数据转化、变换和补偿等操作，并设置任务路径关键工艺参数，进而完成机器人任务路径的快速构建;最后，通过仿真实验验证了方法的可行性。
　　研究了复杂形体表面路径机器人作业仿真碰撞检测技术。针对工业机器人作业仿真碰撞检测问题，本文避开了传统构建繁杂的层次包围盒方法，通过复杂形体表面路径机器人作业仿真，探究了基于AOAAE复杂形体表面路径机器人作业的碰撞检测，加快了碰撞检测的速度;本文基于机械臂的特征分析，利用大臂运动范围的广泛性，提出机械臂非接触角的概念，并利用机械臂的结构与非接触角，分析了机械臂自相交碰撞检测，改善了碰撞检测的实时性。
　　研究了基于遗传算法的形体表面复杂路径规划技术。本文以映射形体表面点阵作为优化目标点，通过对目标点初始参数和遗传算子设计，完成形体表面点阵序列规划;建立了形体表面曲线的简化模型，并结合贪心法思想，确定相邻路径的连接点的位置，给出了不规则形体表面多路径加工序列的方法;在上述方法的基础上，进一步做无碰撞路径筛选操作，并获得到无碰撞近似最优路径。
　　开发了工业机器人的复杂形体表面路径规划与仿真系统。基于本文研究内容和方法，开发了工业机器人的复杂形体表面路径规划与仿真系统，其中设计了离线软件的功能模块和UI界面，并开发了虚拟示教器和路径规划器等工具。在仿真应用实例中，搭建了机器人作业环境，构建了任务路径，利用机器人刻字、焊接仿真作业，综合验证了本文所提方法的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 工业机器人国内外发展概况

1．3 国内外课题相关领域研究现状

1．3．1 机器人作业任务路径的构建研究现状

1．3．2 机器人作业任务路径规划研究现状

1．3．3 机器人作业仿真碰撞检测技术研究现状

1．4 课题研究背景和意义

1．5 本文主要研究内容和组织框架

第2章 复杂形体表面机器人作业任务路径的快速构建

2．1 引言

2．2 基于复杂形体表面勾绘的几何路径快速生成

2．2．1 贴合形体表面绘制几何路径的定义与描述

2．2．2 几何路径端点信息交互生成

2．2．3 几何路径端点之间点信息自动生成

2．3 基于复杂形体特征提取的几何路径快速生成

2．3．1 基于几何特征的复杂形体特征边提取

2．3．2 基于拓扑结构的复杂形体特征边提取

2．3．3 基于复杂形体特征边序列规划分析

2．4 基于几何路径的机器人任务路径的快速生成

2．4．1 机器人任务路径位姿数据的生成

2．4．2 机器人任务路径变换与补偿操作

2．4．3 机器人任务路径工艺性参数快速设置

2．5 实验仿真与结果分析

2．6 本章小结

第3章 复杂形体表面路径机器人作业仿真的碰撞检测

3．1 引言

3．2 复杂形体表面路径作业的碰撞检测模型的构建与更新

3．2．1 复杂形体包围盒模型的选择与计算

3．2．2 基于结构特点的机械臂近似OBB包围盒构建

3．2．3 机械臂碰撞检测模型位置更新

3．3 基于AOAAE复杂形体表面路径机器人作业的碰撞检测

3．3．1 AOAAE碰撞检测算法检测过程

3．3．2 机械臂与复杂形体的AABB包围盒间的相交测试

3．3．3 机械臂与复杂形体的OBB包围盒间的重叠测试

3．3．4 机械臂与复杂形体的潜在相交面片的筛选

3．3．5 机械臂与复杂形体的基本元素之间的相交检测

3．4 复杂形体表面路径机器人作业仿真的自相交检测分析

3．4．1 机器人作业仿真自相交的问题描述与提示

3．4．2 基于结构和非接触角分析的机械臂自相交检测

3．5 实验仿真与结果分析

3．6 本章小结

第4章 基于遗传算法的形体表面复杂路径规划

4．1 引言

4．2 基于遗传算法形体表面点阵的序列规划分析

4．2．1 形体表面点阵参数初始化设计

4．2．2 形体表面点阵序列规划的遗传算子设计

4．2．3 形体表面点阵序列规划实现步骤

4．3 基于遗传算法形体表面多路径的序列规划

4．3．1 重心点映射表面的曲线简化模型

4．3．2 贪心算法规划相邻路径的连接点

4．3．3 形体表面多条路径序列规划实现步骤

4．4 近似最优规划路径的无碰撞路径筛选

4．4．1 机器人规划任务路径的构建与测试

4．4．2 机器人无碰撞任务路径的筛选过程

4．5 实验仿真与结果分析

4．6 本章小结

第5章 工业机器人的复杂形体表面路径规划与仿真系统开发

5．1 引言

5．2 工业机器人的路径规划与仿真系统开发环境与工具

5．3 工业机器人的路径规划与仿真系统功能模块及界面设计

5．3．1 工业机器人的路径规划与仿真系统的功能模块设计

5．3．2 工业机器人的路径规划与仿真系统的UI界面设计

5．4 工业机器人的路径规划与仿真系统的主要工具开发

5．4．1 路径规划与仿真系统的虚拟示教器开发

5．4．2 路径规划与仿真系统的路径规划器开发

5．5 工业机器人的路径规划与仿真系统的应用实例

5．5．1 工业机器人刻字作业仿真实例

5．5．2 工业机器人焊接作业仿真实例

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文结论

6．2 工作展望

参考文献