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专利号: 2022113196289
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:方法包括以下步骤:

第一步:针对弯曲结构件编织的机器人中的弯曲结构件,建立弯曲结构件的非线性几何中心线的函数表达式f(x,y,z)=0,x,y,z分别表示弯曲结构件几何中心线在参考系O‑XYZ中的X轴、Y轴和Z轴坐标值,将非线性几何中心线离散成数量为N+1个的离散点,确定每个离散点的坐标值P0(x0,y0,z0),…,PN(xN,yN,zN);

第二步:针对每一个离散点建立局部坐标系Oi_XiYiZi(i=0,1,…,N),其中Oi_XiYiZi表示第i个离散点的局部坐标系,从而对所有离散点建立N+1个局部坐标系;

第三步:计算所有相邻离散点的局部坐标系之间的X轴间的夹角αi、沿X轴的平移距离dxi和沿Z轴的平移距离dzi,i=0,1,…,N;

第四步:根据第三步的结果,建立相邻离散点的局部坐标系之间的齐次变换矩阵:

其中,trans(dxi,0,dzi)表示第i+1个离散点的局部坐标系Oi+1_Xi+1Yi+1Zi+1相对于第i个离散点的局部坐标系Oi_XiYiZi的平移矩阵,roty(αi)表示第i+1个离散点的局部坐标系Oi+1_Xi+1Yi+1Zi+1相对于第i个离散点的局部坐标系Oi_XiYiZi绕Yi轴的旋转矩阵,dxi表示相邻坐标系沿X轴方向上的平移距离,dzi表示相邻坐标系沿Z轴方向上的平移距离;

第五步:以编织机的编织环中心为原点建立编织环中心坐标系Ob_KbYbZb,以机器人的基座为原点建立基坐标系Or_XrYrZr,以机器人的末端法兰盘中心为原点建立法兰坐标系Of_XfYfZf;

第六步:对机器人与编织机的相对位姿进行标定,确定机器人的基坐标系Or_XrYrZr与编织机的编织环中心坐标系Ob_XbYbZb之间的旋转变换角度和平移距离,从而根据旋转变换角度和平移距离计算得到齐次变换矩阵第七步:利用齐次变换矩阵 构建坐标变换关系,进而利用坐标变换关系结合空间封闭运动链生成机器人末端在空间中的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:所述的第一步中,弯曲结构件具有非直线的形状且其几何中心线具有明确的函数表达式。

3.根据权利要求1所述的一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:所述第二步中,具体是:根据非线性几何中心线的函数表达式和离散点的坐标值,计算非线性几何中心线在离散点的切向向量 作为局部坐标系的X轴,计算离散点的法向向量的反向向量 作为局部坐标系的Z轴,最后根据右手定则确定局部坐标系的Y轴。

4.根据权利要求1所述的一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:所述的第二步中,根据弯曲结构件的非线性几何中心线的函数表达式计算三轴上的一阶偏导数 和 通过将离散点Pi(xi,yi,zi)的数值代入计算得到离散点Pi的切向向量 作为局部坐标系Oi_XiYiZi中的Xi轴方向

根据弯曲结构件的非线性几何中心线的函数表达式计算三轴上的二阶偏导数和 通过将离散点Pi(xi,yi,zi)的数值代入计算得到离散点Pi的法向 量 将其反向向量 作为局部坐标系Oi_XiYiZi中的 Zi轴方向 为

5.根据权利要求4所述的一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:所述第三步具体为:

3.1、计算第i个离散点的局部坐标系Oi_XiYiZi与第i+1个离散点的局部坐标系Oi+1_Xi+

1Yi+1Zi+1之间的旋转变换角度与平移距离,通过计算相邻离散点的切向向量 和 之间的夹角,确定第i个离散点的局部坐标系Oi_XiYiZi中的Xi轴与第i+1个离散点的局部坐标系Oi+1_Xi+1Yi+1Zi+1中的Xi+1轴之间的夹角,具体计算为:

3.2、计算相邻离散点的局部坐标系沿X轴与Z轴方向的平移距离,首先将相邻离散点局部坐标系的原点Oi与Oi+1连接构成向量 计算向量 与Xi轴之间的夹角βi,具体计算为:其中arccos( )表示反余弦三角函数,Oi表示离散点局坐标系Oi_XiYiZi的原点;

3.3、再利用夹角βi计算相邻坐标系沿X轴方向上的平移距离为dxi=|OiOi+1|×cosβi,沿Z轴方向上的平移距离为dzi=‑|OiOi+1|×sinβi,

6.根据权利要求1所述的一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:所述的第六步具体为:机器人与编织机均安装在水平地面,通过示教将机器人末端法兰盘以任意姿态移动靠近编织机编织环中心,并使得法兰盘中心Of与编织环中心Ob重合,通过示教器读取机器人末端法兰盘中心的坐标值Pf(xf,yf,zf),将机器人与编织机形成的空间拓扑沿地面投影形成几何约束关系,编织环中心坐标系Ob_XbYbZb相对于基坐标系Or_XrYrZr绕Zr轴旋转的角度为其中atan()表示反正切三角函数,沿Xr轴平移的距离为dx=xf,沿Yr轴平移的距离为dy=yf,沿Zr轴平移的距离为dz=zf;然后获得编织环中心坐标系Ob_XbYbZb相对于基坐标系Or_XrYrZr的齐次变换矩阵 为:其中,rotz(θ)表示绕坐标轴Z轴旋转θ的齐次变换矩阵,trans(dx,dy,dz)表示沿坐标轴X、Y和Z轴分别平移dx、dy和dz的齐次变换矩阵。

7.根据权利要求1所述的一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:所述第七步具体为:

7.1、构建机器人‑弯曲结构件‑编织机组成的空间封闭运动链,建立坐标变换等效方程其中 表示机器人末端法兰盘中心坐标系Or_XrYrZr相对于机器人基坐标系Ob_XbYbZb的齐次变换矩阵, 表示编织机的编织环中心坐标系Ob_XbYbZb相对于机器人末端法兰盘中心坐标系Of_XfYfZf的齐次变换矩阵。

7.2、根据编织工艺设置弯曲结构件通过编织环中心,弯曲结构件的几何中心线离散点PN‑i+1的原点ON‑i+1与编织环中心Ob重合,并使得弯曲结构件的几何中心线切线方向与编织环的径向方向重合,从而将第十步的坐标变换等效方程转换成

7.3、利用转换后的坐标变换等效方程生成机器人末端在机器人基坐标系参考下的齐次矩阵:

其中,fi表示机器人牵引轨迹的第i个离散点, 表示弯曲结构件的几何中心线的第N‑i+1个离散点PN‑i+1通过编织环中心时机器人末端在机器人基坐标系参考下的齐次矩阵;

最后利用机器人末端在机器人基坐标系参考下的齐次矩阵提取获得机器人末端的运动轨迹的坐标。

8.根据权利要求7所述的一种针对弯曲结构件编织的机器人牵引轨迹生成方法,其特征在于:

所述的7.3中,弯曲结构件的非线性几何中心线的第N‑i+1个离散点PN‑i+1通过编织环中心时,机器人牵引轨迹的第i个离散点,即机器人末端在机器人基坐标系参考下的齐次矩阵表示为:其中, 表示机器人末端法兰盘中心相对于基坐标系Or_XrYrZr的姿态矩

阵, 表示机器人末端法兰盘中心相对于机器人基坐标系的坐标。