一种并联机器人机构智能化型综合方法

摘要

本发明是一种实现并联机器人机构型综合的智能化方法，特指一种基于单开链单元求交思想用计算机编程实现对并联机器人机构智能、系统、全面有效的型综合新方法。其首先生成运动副，设立运动副数据库，再当基本运动副图形生成后，分别对其进行输入、输出点的定义，然后按单开链的类型通过对运动副数据库中的参变量进行分析、运算并对不同运动副进行连接即可得到不同的单开链。再结合并联机构的机构特征进而确定出该机构的支路数和各单开链支路在动、静平台间的配置方式等，最终可实现机型输出。用此型综合法用户只需提出并联机构动平台输出运动特性及数量即可自动生成符合输出要求的并联机构的各种机型，省时省力，实现了型综合的自动化。

说明书

所属领域

本发明是一种实现并联机器人机构型综合的智能化方法，特指一种基于单开链单元求交思想用计算机编程实现对并联机器人机构智能、系统、全面有效的型综合新方法。

背景技术

目前对于型综合的研究已有很多学者做了大量的工作并取得了一系列的成就，如：Hunt提出的基于螺旋理论的方法对研究并联机构的型综合问题具有很好的指导意义。Hara根据微动并联机构Jacobin矩阵的特点对微操作机构的型综合问题进行了探讨；Herve应用数学中的群论方法，研究了三维平动并联机构的型综合问题。杨廷力等提出了基于单开链(SOC)单元的并联机器人机构型综合法，但这些型综合方法都是建立在人工劳动的基础上，过程繁琐，重复性工作量大，效率低且易发生疏漏现象。

发明内容

为了克服上述型综合研究过程中工作繁琐、效率低等缺点，本发明运用杨廷力等人提出的机器人机构拓扑型综合方法(即基于单开链单元的并联机器人机构的型综合研究)之上，通过建立专家库实现了并联机器人机构智能化型综合研究。

本发明是这样实现的：

1、运动副的生成及运动副数据库的设立

任何机型都是由单开链组成，而单开链则由基本的运动副组成，所以要实现最终的机型输出，首先要进行的是实现一些常用的基本运动副P、R、C、S副的输出。运动副的外形描述采用的是极坐标的方式，即用(α，l)则可确定相对于极坐标原点的空间中的一点。线段则是用改变极坐标的角度、线长实现，即线段L为：L＝(α，l₁)-(β，l₂)，线段间的夹角同样是利用改变极坐标中的角度来实现的。圆弧则是通过圆弧的半径、圆弧的起始角度、圆弧的终止角度的设定来实现的。通过这种方式即可把线段、圆弧连成图形，生成所需的基本运动副，并设立运动副数据库，且在运动副数据库中输入运动副名称、运动副图形信等相应的参变量。

2、单开链的生成及单开链数据库的设立

单开链的图形则是建立在运动副图形输出的结果之上，当基本运动副图形生成后，分别对其进行输入(input)、输出(output)点的定义，然后按单开链的类型通过对运动副数据库中的参变量进行分析、运算并对不同运动副进行连接即可得到不同的单开链。具体为：首先要确定组成单开链的每个运动副的图形中心的位置；其次通过访问运动副数据库表中的记录得知各个运动副图形信息的数据参数；再次分析单开链中相邻运动副之间的关系以及运动副应绕其图形中心旋转的角度等参数；最后对参变量进行调用、分析、运算后把不同运动副进行连接则可生成各种单开链，并设立单开链数据库，且在单开链数据库中输入单开链的名称、单开链图形信息、单开链的输出矩阵等相应的参变量描述。对于单开链中运动副之间的连接方式，即：平行、重合、共点、共面、任意、垂直，则通过改变彼此相连的两个运动副中的前一个运动副输出点和后一个运动副输入点间的极位角来实现的，如重合配置则极位角为0°、垂直配置极位角为90°、平行配置极位角为180°、任意配置则极位角为一任意设定值。

3、机型输出

根据单开链的图形输出，再结合并联机构的机构特征进而确定出该机构的支路数和各单开链支路在动、静平台间的配置方式等，最终可实现机型输出，即：根据欲综合机型的指标运用矩阵求交思想对单开链数据库中的参变量进行分析、运算得出符合组成机型的单开链，并对分析出组成机型的单开链进行位置配置，实现机型输出。最终可实现以下所示功能：①可进行机型支路的选择，如三平移并联机构有两支路和三支路两类机型。当要求两支路输出时，程序会按照排列组合的运算方法将数据库中所有的单开链进行运算得出一个最大的结果组合，再进行筛选，去掉一些不可能或是不能满足要求的机构，最终得出结果机构并且将结果存入到数据库中，三支路的运算原理也是如此。②可计算出不同支路类型机型的数目，即设定程序对相应支路的机型数目进行检索、记录并对其求和可得到总数目。此功能主要利用的是数据库的检索技术。③可显示出不同类型机型的结构组成，即程序输出时通过对不同数据库进行访问、调用，实现机型的图形显示。此功能采用了计算机图形学的部分知识并将其运用到程序中。④可对输出的机型进行放大、对机型中的支路进行角度旋转等动态修改，即可对程序中默认连线长(默认为150mm)、放大系数(默认为4)、副间错开角度(默认为20°)、旋转角度等按不同的需求进行修改。此功能使用的是对程序中的特定变量的定义赋值进行修改从而使得程序的运算结果随着设置的变动而变动。

专家数据库在程序中是一个重要基础，本程序中主要数据库有两个：运动副数据库和单开链数据库。运动副数据库包括各种运动副的外形描述、运动副由多少线段组成、线段端点的表示信息、自由度个数、运动副的外部接口点的个数、连接位置等信息，这个数据库是程序绘制运动副乃至单开链和运动机构的基础。单开链数据库包括各种单开链的具体由哪些运动副组成、连接方式等信息，此外还包括一些程序运行的具体功能参数的设置保存。

本发明可以使用多种编程语言进行开发，如VB、VC、VC++、Java等。

本发明能快速生成所要求的一系列机型，实现了型综合自动化，为优选机型、对机构进行运动学及动力学分析等一系列工作提供了基础，且便于工程人员使用。

附图说明

图1是本发明型综合编程数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

根据机型的组成原理：机型则是由静、动平台间的单开链按照一定的配置连接而成；单开链则是由不同运动副连接而成；由此原理进行程序开发，其型综合编程数据流程图如图1所示，进一步说明如下：

实施例1：三平移并联机器人机构型(使用VB进行开发)：

1、图中运动副的描述，即运动副数据库。它包括两部分：①运动副的名称；②运动副的外形描述，即运动副的结构形式。对于运动副的名称，则又包括运动副的标识符号、此运动副的自由度数等信息。对于运动副图形处理，使用VB进行开发，编程生成并组成一些常用基本运动副的线段、圆弧、后把线、弧连成面，则即实现了运动副的图形输出。完成三平移并联机构型综合所需的基本运动副为P、R、C、S副。

2、同理单开链的描述，即单开链数据库，也包括两部分：在单开链数据库中设置运动副连线长、运动副图形的放大系数、相邻运动副之间的图形旋转角度等信息，为了便于动态的对图形信息进行修改。并且在单开链数据库中储存有各个单开链相应的输出矩阵信息，便于下面机构输出时进行矩阵求交。对于单开链的图形处理则是建立在运动副图形输出的基础之上，把基本运动副P、R、C、S轴线之间通过平行、重合、共点、共面、任意、垂直六种相对方位的特定配置，则可构成不同输出类型的单开链。使用VB编程把这些运动副的图形进行逐次连接，则即实现了单开链的图形输出。根据单开链相应的输出矩阵，从数据库中选出满足t＝3(即平动输出为3；t表示平移，是在专家库中设定的参数)的单开链，既是完成三平移并联机构型综合研究所需的单开链。

3、有了单开链的图形输出，再结合并联机构的机构特征进而确定出该机构的支路数和各单开链支路在动、静平台间的配置方式；通过控制语句完成对数据库间的调用、不同支路在图形输出框中的定位等；则可即实现最终的机型输出。在对不同机型中的单开链进行选取时，遵循的是：并联机构输出矩阵的确定是由并联机构中的各个支路矩阵求交的结果。即：支路数为n的并联机构可视为由n个SOC(单开链)组成，每一个SOC支路的机架与输出构件分别是并联机器人机构静、动平台的一部分。机构动平台在n个SOC支路的共同约束下运动，故有 $>>>U>p>>=>>>>>\cap >>>i>=>1>>n>p_{}^{}$_i^o为第i个SOC支路的运动输出矩阵。在单开链数据库中存有各个单开链输出矩阵相应的信息参数。对于三平移并联机构，要实现 $>>>U>p>>=>\begin{array}{}>>>>t>3>\; >>>>>t>0>\; >\end{array}>>>s>(t为平动，r为转动)，以两支路机构为例，则可通过一下几种求交方式：①$ >{\begin{array}{}>>>>t>3>\; >>>>>r>0>\; >\end{array}}_{\begin{array}{}>>>>t>3>\; >>>>>r>0>\; >\end{array}}$$₁与轴线不平行)。基于以上矩阵求交思想对单开链数据库中的各单开链输出矩阵信息进行读取、求交、运算得出欲综合机型所需的单开链。确定单开链在机型中的配置，并考虑各回路之间的相关性进而得出满足欲综合的三平移并联机器人机构的机型，并对其进行机型输出。

实施例2：二平移一转动并联机器人机构型(使用VC进行开发)

与实施例1：三平移并联机器人机构型过程相似，①首先利用VC编程对需求的基本运动副进行开发，得出二平移一转动并联机构中常用的运动副数据库；②其次根据二平移一转动并联机构所需的单开链，把基本运动副通过VC编程进行平行、重合、共点、共面、任意、垂直六种相对方位的特定配置后再彼此连接，得到所需的一系列单开链，并设立单开链数据库且在数据库中输入单开链的名称、单开链图形信息、单开链的输出矩阵等相应的参变量描述；③最后，有了单开链的图形输出，再结合二平移一转动并联机构的机构特征进而确定出该机构的支路数、运用矩阵求交思想运算出所需的单开链及各单开链支路在动、静平台间的配置方式；通过控制语句完成对数据库间的调用、不同支路在图形输出框中的定位等；则可实现二平移一转动并联机构的机型输出。