一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，包括以下步骤：搭建三维仿真环境；创建构件库；将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达；建立拓扑与约束的转换关系；在三维仿真环境中建立并联机构；对拓扑结构进行约束正确性检测；进行有效的并联机构三维显示；完成并联机构拓扑三维可视化设计。本发明专利技术无需依赖现有商业软件可拓展性强，可对并联机构进行拖拽操作，具有良好的交互性；机构杆件可通过参数化保存，将杆件间复杂轴线几何关系以常见空间方位描述，对一般机构具有适用性；满足自动化程度高，整个可视化过程由系统独立完成无需专业人员指导，可以有效降低并联机构设计难度、缩短并联机构设计周期、减少并联机器人开发成本。发成本。发成本。

【技术实现步骤摘要】
一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法


[0001]本专利技术属于三维可视化设计
，具体涉及一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法。

技术介绍

[0002]并联机器人在工业领域已有广泛应用，其拓扑结构很大程度上影响了并联机器人的性能，在并联机器人拓扑结构的设计过程中，对拓扑构型进行三维可视化可以帮助研究人员直观的了解机构的运动特性，提前解决机器人在设计制造和运行方面的问题，能大幅降低研究成本，对机器人的研究提供便利性。
[0003]目前，并联机构拓扑的三维可视化缺少相关成熟的仿真软件，拓扑结构的可视化构建依赖商业计算机辅助建模分析软件，多是在SOLIDWORKS、Pro/E等软件的基础上进行二次开发，无法满足对于机器人研究的大量需求，当前并联机构拓扑的三维可视化过程存在以下不足：
[0004]其一、由于并联机构复杂的关节轴线几何关系，构件形态多变不具备通用性，传统的并联机构可视化设计需要对各构件逐个建模，建模过程包含大量重复性工作，影响并联机器人设计周期，大大增加了时间成本，如中国专利CN112580167A所述Stewart机构的构建需要借助SOLIDWORKS软件绘制三维模型，操作繁琐。
[0005]其二、自动化程度不高需要专业人员参与，但由于并联机构理论知识复杂，要求设计人员丰富的设计经验及大量的专业知识积累，效率低下且易于出错，如中国专利114638072A所述构建并联机构需先通过闭环矢量法建立目标机构的运动学模型，设计难度大。
[0006]其三、并联机构拓扑可视化设计依赖CAD/CAE商用软件，存在拓展性不足且交互性差的问题。
[0007]其四、以面向构建虚拟样机、仿真为主，无法感知拓扑结构，缺乏机构的合理性判断机制。
[0008]综上所述，现有的并联机构拓扑可视化方法无法满足上述应用领域的要求。

技术实现思路

[0009]本专利技术为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法。
[0010]本专利技术的技术方案是：一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，包括以下步骤：
[0011]ⅰ
.搭建三维仿真环境；
[0012]ⅱ
.基于三维仿真环境，创建构件库；
[0013]ⅲ
.将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达；
[0014]ⅳ
.建立拓扑与约束的转换关系；
[0015]ⅴ
.在三维仿真环境中建立并联机构；
[0016]ⅵ
.对拓扑结构进行约束正确性检测；
[0017]ⅶ
.进行有效的并联机构三维显示；
[0018]ⅷ
.完成并联机构拓扑三维可视化设计。
[0019]步骤
ⅰ
搭建三维仿真环境，具体过程如下：
[0020]首先，搭建三维仿真环境
[0021]三维仿真环境指利用计算机技术生成的具有实时模型渲染功能及建立刚体约束的虚拟环境，用户可以通过内部API接口进行模型的创建、修改、删除操作；
[0022]然后，调用三维仿真环境内的刚体约束函数；
[0023]刚体约束函数指三维仿真环境中可对刚体模型间添加运动限制的内置函数；
[0024]最后，对刚体约束函数进行扩展封装为运动副装配函数；
[0025]刚体约束函数参数不易获取，将刚体约束函数进行拓展封装为以通用轴线为参数，便于使用的运动副装配函数。
[0026]步骤
ⅱ
基于三维仿真环境，创建构件库，具体过程如下：
[0027]首先，确定并联机构基本组成构件，将基本组成构件逐个保存为三维模型库，基本组成构件至少包括动静平台、连接杆件和连接关节；
[0028]然后，分别以半径不同的一系列圆盘形几何体建立静平台构件库和动平台构件库；
[0029]再后，以长度不同的一系列截面为正方形的杆状几何体建立连接杆件构件库；
[0030]再后，以尺寸与连接杆件适配的圆柱形转轴建立转动副(R副)构件库；
[0031]再后，以尺寸与连接杆件适配的长方体滑块建立移动副(P副)构件库；
[0032]最后，以尺寸与连接杆件适配的球形连接关节建立虎克铰(U副)构件库和球铰(S副)构件库。
[0033]步骤
ⅱ
基于三维仿真环境，创建构件库，还包括建立构件库中基本组成构件的参考坐标系，具体过程如下：
[0034]首先，为构件库中的各类型构建定义基本参考坐标系，包括动静平台、连接杆件和连接关节，静平台和动平台以圆形截面作O
‑
xy面，截面法向作O
‑
z轴，静平台和动平台几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；
[0035]然后，连接杆件以正方形截面作O
‑
xy面，沿杆长方向作O
‑
z轴，连接杆件几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；
[0036]再后，圆柱形转动副关节以自身轴线作为关节轴线方向；
[0037]最后，长方体移动副滑块以自身轴线作为关节轴线方向。
[0038]步骤
ⅲ
将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达，具体过程如下：
[0039]首先，对矩阵对角线元素进行定义，将矩阵对角线元素中的0、1、2、3依次定义为转动副(R副)、移动副(P副)、虎克铰(U副)和球铰(S副)；
[0040]然后，对矩阵非对角线元素进行定义，将矩阵非对角线元素中的1、2、3、4、5、6依次定义为平行、垂直、正交、共线、相交、异面的相对位置关系；
[0041]再后，将并联机构拓扑以矩阵形式进行数字化表达，可清晰、完整地描述并联机构的拓扑结构；
[0042]最后，得到并联机构拓扑的矩阵形式表达。
[0043]步骤
ⅳ
建立拓扑与约束的转换关系，具体过程如下：
[0044]首先，考虑相邻两杆件的运动副组合类型与运动副轴线间位置关系；
[0045]然后，得出矩阵元素与约束参数间的映射关系；
[0046]最后，将矩阵中的元素通过映射关系转换为建立约束所需的约束参数。
[0047]步骤
ⅴ
在三维仿真环境中建立并联机构，具体过程如下：
[0048]首先，在三维仿真环境中添加静平台与动平台；
[0049]然后，向仿真环境中添加第一个与静平台相装配的连接杆件与连接关节；
[0050]再后，根据矩阵中提取的矩阵元素，以及矩阵元素与约束参数间的映射关系得到约束参数；
[0051]再后，依据约束参数建立连接杆件与静平台两构件间的约束连接；
[0052]再后，根据提取的矩阵元素进行连接杆件的装配，直到与动平台建立约束连接，并联机构的一条支链生成完毕；
[0053]最后，重复以上过程进行其余支链的建立。
[0054]步骤
ⅵ
拓扑结构的约束正确性检测，包括尺度正确性检测和拓扑正确性检测。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：（
ⅰ
）搭建三维仿真环境；（
ⅱ
）基于三维仿真环境，创建构件库；（
ⅲ
）将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达；（
ⅳ
）建立拓扑与约束的转换关系；（
ⅴ
）在三维仿真环境中建立并联机构；（
ⅵ
）对拓扑结构进行约束正确性检测；（
ⅶ
）进行有效的并联机构三维显示；（
ⅷ
）完成并联机构拓扑三维可视化设计。2.根据权利要求1所述的一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，其特征在于：步骤（
ⅰ
）搭建三维仿真环境，具体过程如下：首先，搭建三维仿真环境三维仿真环境指利用计算机技术生成的具有实时模型渲染功能及建立刚体约束的虚拟环境，用户可以通过内部API接口进行模型的创建、修改、删除操作；然后，调用三维仿真环境内的刚体约束函数；刚体约束函数指三维仿真环境中可对刚体模型间添加运动限制的内置函数；最后，对刚体约束函数进行扩展封装为运动副装配函数；刚体约束函数参数不易获取，将刚体约束函数进行拓展封装为以通用轴线为参数，便于使用的运动副装配函数。3.根据权利要求1所述的一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，其特征在于：步骤（
ⅱ
）基于三维仿真环境，创建构件库，具体过程如下：首先，确定并联机构基本组成构件，将基本组成构件逐个保存为三维模型库，基本组成构件至少包括动静平台、连接杆件和连接关节；然后，分别以半径不同的一系列圆盘形几何体建立静平台构件库和动平台构件库；再后，以长度不同的一系列截面为正方形的杆状几何体建立连接杆件构件库；再后，以尺寸与连接杆件适配的圆柱形转轴建立转动副(R副) 构件库；再后，以尺寸与连接杆件适配的长方体滑块建立移动副(P副) 构件库；最后，以尺寸与连接杆件适配的球形连接关节建立虎克铰(U副) 构件库和球铰(S副) 构件库。4.根据权利要求1所述的一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，其特征在于：步骤（
ⅱ
）基于三维仿真环境，创建构件库，还包括建立构件库中基本组成构件的参考坐标系，具体过程如下：首先，为构件库中的各类型构建定义基本参考坐标系，包括动静平台、连接杆件和连接关节，静平台和动平台以圆形截面作O
‑
xy面，截面法向作O
‑
z轴，静平台和动平台几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；然后，连接杆件以正方形截面作O
‑
xy面，沿杆长方向作O
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙涛，江崇阳，霍欣明，王梁，宋轶民，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：