CN103970033B - 基于matlab实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，本发明实现了三维软件实体建模功能与MATLAB数据处理功能在一定程度上的结合；通过截取被测叶片指定高度的轮廓曲线便可方便、快捷地读取叶片特征点的坐标及姿态，并编写特定算法的程序代码实现叶形曲线的拟合、法向偏移、坐标旋转平移变换等一系列的复杂的数值运算处理，并以坐标图形的形式显示结果；不需要特定的编程语言及作业文件格式；可快速的求解机器人正、逆运动学方程，对求解出的各关节角进行多种插补运算以规划出合理的机器人检测路径；直接将数值处理后的点在MATLAB环境下进行检测仿真，保证了仿真数据及结果的精确性。

Description

基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真领域，尤其是一种基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法。

背景技术

叶片的型面是根据空气动力学及流体力学理论经过复杂的数值计算而设计出的空间型面，叶片型面的精度直接影响到发动机的能量转换效率，因此叶片检测是叶片加工的重要部分。常用的检测方法包括接触检测法、三坐标激光检测法以及双目视觉检测法。

现实叶片检测作业中，叶片的某一层往往只需检测指定数量的点的位姿。但采用接触检测法需要在检测点之间插入数千个点，不仅数据读取工作量大影响效率而且后期的数据处理很复杂。双目视觉测量法的摄像头很受测量环境的影响，检测中会引入大量的干涉点且需要进行数据拼接，计算量大，数据处理复杂。因此常用的接触检测法、三坐标激光检测法效率太低，双目视觉检测精度较差，因此选用工业机器人带动激光位移传感器对叶片进行检测，可实现叶片的高精度、高效性检测。

但是现实操作中，工业机器人都是采用手持示教器或者自身的离线编程软件进行作业编程及仿真。一方面，大多数机器人都有自己专用的机器语言作为编程语言，不仅需要专业的技术支持而且需要手动输入各检测点的三维坐标及姿态或者导入特定格式的作业文件，效率低下；另一方面，在进行手持示教或离线编程之前，需要借助其他软件对作业对象进行复杂的数据处理及坐标标定等，不仅对工控机的要求较高，影响编程及仿真效率而且由数据处理软件向离线编程软件输出数据，再由离线编程软件向机器人控制柜输出数据会导致数据传送的双重误差；最后，机器人自带的离线编程软件及国内外开发的相应的编程软件，价格昂贵，难以推广。

虽然三维建模软件具有很强的实体建模能力，但数据处理能力较差，很难完成一系列复杂的数值算法及矩阵运算；而MATLAB具有很强的数据处理能力，但实体建模能力较差，虽然有自己的机器人工具箱模块，但只能以圆柱来代替机器人的各关节，当机器人的某姿态由于自身关节尺寸限制而不能达到时，便会出现仿真失真，且没有直观性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，采用工业机器人带动激光位移传感器对叶片进行检测，实现高精度，高效性检测；借助MATLAB强大的数据处理能力，将仿真平台搭建在MATLAB环境下对叶片检测进行仿真。

本发明所采用的技术方案为：一种基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，在三维建模环境下，构建机器人各关节及激光位移传感器的实体模型，将模型以STL文件格式输出以获取各实体表面ASCII格式的数据模型；对叶片实体进行剖切、曲线分割、插值等处理以获取叶片检测特征点的三维坐标。在MATLAB环境下,提取STL文件的数据信息，实现三维实体模型由三维软件向MATLAB的转换；根据机器人的D-H坐标系及正运动学，完成机器人的装配及叶片检测仿真平台的搭建；加载叶片特征点的三维坐标，进行曲线拟合、法向偏移、坐标转换等数据处理以实现特征点的三维坐标向激光位移传感器坐标系的转换；将转换后的点集的位姿利用机器人逆运动学求解出机器人各关节的值，对相邻两点的各关节值以圆弧插补的方式进行插值。实现机器人沿着叶片特征点的法线方向以一定的偏距进行检测仿真。

本发明的有益效果是：

a、实现了三维软件实体建模功能与MATLAB数据处理功能在一定程度上的结合，只需导入由三维软件输出的各关节的STL文件便可在MATLAB环境下读取实体表面的几何信息，构建任何型号机器人的实体模型；

b、通过截取被测叶片指定高度的轮廓曲线便可方便、快捷地读取叶片特征点的坐标及姿态，并编写特定算法的程序代码实现叶形曲线的拟合、法向偏移、坐标旋转平移变换等一系列的复杂的数值运算处理，并以坐标图形的形式显示结果；

c、不需要特定的编程语言及作业文件格式，只需将点的坐标及姿态以txt文本的格式进行存储便可快速的读取、输出检测点的位姿信息；

d、可快速的求解机器人正、逆运动学方程，对求解出的各关节角进行多种插补运算以规划出合理的机器人检测路径；

e、直接将数值处理后的点在MATLAB环境下进行检测仿真，不用导入机器人自带离线编程软件进行指定位数的四舍五入，保证了仿真数据及结果的精确性。

f、可在仿真无误后，将各检测点对应的关节角按照机器人控制柜可以识别的文件格式进行作业文件的编写，将作业文件输入机器人控制柜，控制机器人按照仿真路径进行现实作业。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的是一种基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法的流程图，具体步骤包括：

1、构建机器人的D-H坐标系及连杆参数。

2、在三维建模环境下，构造机器人各关节及激光位移传感器的实体模型，在装配环境下参照D-H坐标系创建各零件的参考坐标系并完成装配；导入叶片的三维模型，根据叶片的型面尺寸及机器人的测量范围确定机器人及叶片的坐标系位姿。

3、依次以每一个零件的参考坐标系为参照，以STL文件的ASCII格式输出各零件的数据模型(STL文件是一种由许多空间小三角形片面逼近三维实体表面的数据模型)。

4、用平面对叶片实体模型的某一检测高度进行剖切，得到该高度上叶片截面的轮廓曲线。以构成叶片截面轮廓曲线的四部分：前缘、叶盆、后缘和叶背为单位进行曲线分割；分别向分割后的四段曲线按等圆弧法插入指定数量的点集，提取点集的三维坐标并以txt文档格式输出。

5、在MATLAB环境下，通过读入零件的STL文件来获取该零件实体表面所有三角形片面的法矢量坐标，三个顶点的坐标及片面个数，并以结构体的形式保存；将包含有各零件ASCII信息的结构体写入标准的二进制文件——mat文件。

6、将mat文件加载到MATLAB的工作空间。在MATLAB坐标系下，依据机器人正运动学方程，将各实体表面的三角形片面信息按照实体参考坐标系在机器人D-H坐标系中的位置进行旋转平移变换，实现机器人在MATLAB环境下的实体装配。

7、由于机器人的各关节只能绕着其轴线以特定的角度范围进行旋转，因此，对实体表面的三角形片面信息以自身的轴线为参照进行旋转变换并设定旋转范围，便实现了各关节在MATLAB环境下的动态仿真。

8、考虑到激光位移传感器自身的几何尺寸对叶片的干涉影响以及传感器的测量方式及范围，需要将检测点沿着叶片截面的法线方向偏移一定的距离。操作如下：在MATLAB环境下，加载在三维建模环境下得到的点的三维坐标，拟合出叶片截面轮廓曲线；求解出经过各特征点与轮廓曲线垂直的法线；沿着法线方向偏移指定的距离。

9、参照机器人与叶片的相对位姿，将叶片坐标系下，沿法线方向偏移后点集的坐标及姿态旋转、平移变化到机器人基坐标系下；运用机器人正运动学方程，将基坐标系下点集的位姿转换到激光位移传感器的坐标系下。

10、依据机器人逆运动学方程，由激光位移传感器坐标系下的点集的位姿求解出机器人各关节的关节角，对相邻两检测点对应的各关节角进行圆弧插补；以插补后机器人的各关节角及步长为参数，编写驱动函数，实现机器人末端的检测工具沿着检测点的法线方向，以一定的偏移距离顺序检测扫描。

本发明采用工业机器人带动激光位移传感器对叶片进行检测，实现高精度，高效性检测。借助MATLAB强大的数据处理能力，将仿真平台搭建在MATLAB环境下对叶片检测进行仿真。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (8)

1.一种基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在三维建模环境下，构建机器人各关节及激光位移传感器的实体模型；

2)将构建好的模型以STL文件格式输出以获取各实体表面ASCII格式的数据模型；

3)对叶片实体进行剖切、曲线分割以及插值处理以获取叶片检测特征点的三维坐标；

4)在MATLAB环境下，提取STL文件的数据信息，实现三维实体模型由三维软件向MATLAB的转换；

5)根据机器人的D-H坐标系及正运动学，完成机器人的装配及叶片检测仿真平台的搭建；

6)加载叶片特征点的三维坐标，进行曲线拟合、法向偏移以及坐标转换的数据处理以实现特征点的三维坐标向激光位移传感器坐标系的转换；

7)将转换后的点集的位姿利用机器人逆运动学求解出机器人各关节的值，对相邻两点的各关节值以圆弧插补的方式进行插值；

8)实现机器人沿着叶片特征点的法线方向以一定的偏距进行检测仿真。

2.如权利要求1所述的基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于：所述的步骤1)中，设置机器人的D-H坐标系及连杆参数；在装配环境下参照D-H坐标系创建各零件的参考坐标系并完成装配。

3.如权利要求1所述的基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于：所述的步骤2)中的数据模型依次以每一个零件的参考坐标系为参照。

4.如权利要求1所述的基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于：所述的步骤3)中用平面对叶片实体模型的某一个检测高度进行剖切并得到该高度上叶片截面的轮廓曲线。

5.如权利要求1所述的基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于：所述的步骤5)中，在MATLAB坐标系下，依据机器人正运动学方程，将各实体表面的三角形片面信息按照实体参考坐标系在机器人D-H坐标系中的位置进行旋转平移变换，实现机器人在MATLAB环境下的实体装配。

6.如权利要求1所述的基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于：所述的步骤6)中，由机器人与叶片的相对位姿，将叶片坐标系下，沿法线方向偏移后点集的位姿旋转、平移变化到机器人基坐标系下；运用机器人正运动学方程，将基坐标系下点集的位姿转换到激光位移传感器的坐标系下。

7.如权利要求1所述的基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于：所述的步骤7)中，依据机器人逆运动学方程，由激光位移传感器坐标系下的点集的位姿求解出机器人各关节的值，即关节角，对相邻两检测点对应的各关节角进行圆弧插补。

8.如权利要求1所述的基于MATLAB实现机器人实体建模与叶片激光检测仿真的方法，其特征在于：所述的步骤8)中，以插补后机器人的各关节角及步长为参数，编写驱动函数，实现机器人末端的检测工具沿着检测点的法线方向，以一定的偏移距离顺序检测扫描。