CN110109421B - 一种针刺机器人路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种针刺机器人轨迹规划方法，其特征在于包括：步骤一、基于预制体构件的数字模型和针刺步进量，在CATIA软件中批量生成针刺点和辅助点，并基于针刺点和辅助点的坐标批量计算针刺点处机器人末端的姿态信息；步骤二、根据机器人末端的姿态信息，计算旋转矩阵，并通过旋转矩阵求解欧拉角；步骤三、将步骤一和步骤二计算的每一个针刺点的位置和欧拉角数据传送给机器人，机器人按照生成的整体路径进行针刺。

Description

一种针刺机器人路径规划方法
技术领域
本发明涉及三维纺织预制体针刺成形自动化技术，具体为一种针刺机器人路径规划方法。
背景技术
三维针刺成型技术分为平面预制体针刺成型和复杂构件(异型)预制体针刺成型。平面预制体针刺成型研究较为广泛，如Pierre Olry(U.S.Patent 4790052)开发了平板预制体针刺成型技术，该技术可实现预制体的均匀针刺成型；Olry P等(U.S.Patent6009605)发明了一种圆形针刺机，该机器利用螺旋变形带来制备复合材料刹车盘的预制体；最近的一种环形预制体制备机器由Delecroix V等(U.S.Patent 7251871)开发，该机器直接利用商业纱线制备环形预制体，节省制备螺旋带的中间环节，从而降低了生产制造成本。以上的针刺技术属于平面针刺成型技术，适合制备形状较为简单的预制体，在制备高厚或者异形结构预制体时，上述针刺技术就显示出其局限性。
异型预制体针刺成型技术，由于技术相对复杂或者保密要求，目前国内外可查到的研究并不多见。Olry P(U.S.Patent 4621662)发明了“Novoltex”针刺成型技术，利用针刺纤维带制备轴对称非圆柱形状的预制体，特别用于制造发动机喷管尾锥复合材料的增强体，显然该技术在制备变锥角的预制体或者球面等复杂曲面形状预制体时存在其局限性；Olry P和Dupont P(U.S.Patent 5226217)发明了一种6自由度的针刺成型装备，专利中指出该设备可实现沿a轴的直线运动和旋转运动、沿b轴的旋转运动以及机械臂末端3向可调，能够适应较为复杂的预制体针刺成型，但是专利中没有给出多自由度传动的具体传动方式和相应的详细机械结构，另外该设备多轴联动的实现方式较为复杂，必然导致控制程序编制复杂。在国内，张宇鹏等(CN102828348 B 2015)发明了一种异形数控针刺机，该发明采用了悬臂式结构，解决了装卸工件受限，操作受影响等问题，满足特定形态壳体表面的针刺成型，由于其只有四自由度，显然不能有效适应航空航天等复杂空间曲面构件的预制体制备。
申请人长期致力于三维针刺生产技术的研究，发明了一种手提气动针刺枪(专利号：201620357508.1)和一种机器人针刺设备(专利号：201620357509.6)，适用于制备复杂空间曲面形状的预制体。
在申请人检索的范围内，有关采用多关节工业机器人对复杂空间曲面构件进行三维针刺的轨迹规划方法文献尚未见到报道。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明拟解决的技术问题是，提出一种针刺机器人路径规划方法。
一种针刺机器人路径规划方法，采用的技术方案如下：
步骤一、基于预制体构件的数字模型和针刺步进量，在CATIA软件中批量生成针刺点和辅助点，并基于针刺点和辅助点的坐标批量计算针刺点处机器人末端的姿态信息。具体为：
(1)依据预制体构件的数字模型，在CATIA软件中构建切割平面和偏置切割平面，并求解切割平面和偏置切割平面与预制体构件的相交线，其中切割平面和偏置切割平面之间的间距可根据精度需求自由设定；
(2)依据针刺步进量、切割平面与预制体构件相交线的长度，求解相交线的等分段数并取整；
(3)依据分段数，在切割平面与预制体构件相交线上进行数量为2倍分段数的点的等间距插值，生成针刺点和辅助点，其中奇数点为针刺点，偶数点为辅助点；
(4)依据分段数，在偏置切割平面与预制体构件相交线上进行数量为分段数的点的等间距插值，生成辅助点；
(5)依据上述生成的针刺点、辅助点，计算机器人末端方向矢量
Figure BSA0000158926680000021
通过向量叉乘计算机器人末端接近矢量
Figure BSA0000158926680000022
法向矢量
Figure BSA0000158926680000023
即
Figure BSA0000158926680000024
(6)向量
Figure BSA0000158926680000025
即为机器人末端姿态信息；
步骤二、根据机器人末端的姿态信息，计算旋转矩阵，并通过旋转矩阵求解欧拉角。具体为：
(1)分别计算向量
Figure BSA0000158926680000026
的方向余弦，构成旋转矩阵；
(2)调用Matlab函数“eul＝rotm2eul(rotm，sequence)”将旋转矩阵转换成欧拉角；
步骤三、将步骤一和步骤二计算的每一个针刺点的位置和欧拉角数据传送给机器人，机器人按照生成的整体路径进行针刺。
与现有技术相比，本发明一种机器人针刺路径规划方法具有以下特点：
1.手工示教耗时且位置不能精确控制，本方法能够快速准确批量生成针刺机器人所需的位姿数据；
2.适用于任何复杂曲面的预制体构件针刺点位姿数据的生成。
附图说明
图1是本发明针刺机器人路径规划方法一种实施例的曲面预制体构件结构示意图；
图2是本发明针刺机器人路径规划方法一种实施例的曲面预制体构件与切割平面相交生成相交线示意图；
图3是本发明针刺机器人路径规划方法一种实施例的图2中区域a的局部放大图示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图详细进一步叙述本发明。
本发明为一种针刺机器人路径规划方法，采用的技术方案如下：
步骤一、基于预制体构件的数字模型(图1)和针刺步进量f(根据需求自由设定)，在CATIA软件中批量生成针刺点Pi和辅助点(Ai和Bi)，并基于针刺点Pi和辅助点(Ai和Bi)的坐标批量计算针刺点Pi处机器人末端的姿态信息。具体为：
(1)依据预制体构件的数字模型(图1)，在CATIA软件中构建切割平面j和偏置切割平面jj，并求解切割平面j和偏置切割平面jj与预制体构件的相交线lj和ljj，其中切割平面j和偏置切割平面jj之间的间距可根据精度需求自由设定；
(2)依据针刺步进量f和相交线lj的长度，求解相交线lj的等分段数，n＝lj/f，然后对n取整得分段数N；
(3)依据分段数N，在相交线lj上进行2*N个点的等间距插值，生成针刺点Pi和辅助点Ai，其中N个奇数点为针刺点Pi，N个偶数点为辅助点Ai；
(4)依据分段数N，在相交线ljj上进行N个点的等间距插值，生成N个辅助点Bi；
(5)计算向量PiAi(即机器人末端方向矢量
Figure BSA0000158926680000031
)和向量PiBi(即向量
Figure BSA0000158926680000032
)，然后通过向量叉乘，求解向量
Figure BSA0000158926680000033
(机器人末端接近矢量)，即
Figure BSA0000158926680000034
(6)接着通过向量叉乘，求解向量
Figure BSA0000158926680000035
(机器人末端法向矢量)，即
Figure BSA0000158926680000036
(7)向量
Figure BSA0000158926680000037
即为机器人末端姿态信息；
步骤二、根据机器人末端的姿态信息，计算旋转矩阵，并通过旋转矩阵求解欧拉角。具体为：
(1)分别计算向量
Figure BSA0000158926680000038
的方向余弦nx，ny，nz，ox，oy，oz，ax，ay，az，构成旋转矩阵rotm，其中rotm＝[nx ny nz；ox oy oz；ax ay az]
(2)调用Matlab函数“eul＝rotm2eul(rotm，sequence)”将旋转矩阵转换成欧拉角；
步骤三、将步骤一和步骤二计算的每一个针刺点Pi的位置和欧拉角数据传送给机器人，机器人按照生成的整体路径进行针刺。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种针刺机器人路径规划方法，其特征在于包括：步骤一、基于预制体构件的数字模型和针刺步进量，在CATIA软件中批量生成针刺点和辅助点，并基于针刺点和辅助点的坐标批量计算针刺点处机器人末端的姿态信息；步骤二、根据机器人末端的姿态信息，计算旋转矩阵，并通过旋转矩阵求解欧拉角；步骤三、将步骤一和步骤二计算的每一个针刺点的位置和欧拉角数据传送给机器人，机器人按照生成的整体路径进行针刺。
2.根据权利要求1所述的一种针刺机器人路径规划方法，其特征在于：步骤一、基于预制体构件的数字模型和针刺步进量，在CATIA软件中批量生成针刺点和辅助点，并基于针刺点和辅助点的坐标批量计算针刺点处机器人末端的姿态信息；具体为：
(1)依据预制体构件的数字模型，在CATIA软件中构建切割平面和偏置切割平面，并求解切割平面和偏置切割平面与预制体构件的相交线，其中切割平面和偏置切割平面之间的间距可根据精度需求自由设定；
(2)依据针刺步进量、切割平面与预制体构件相交线的长度，求解相交线的等分段数并取整；
(3)依据分段数，在切割平面与预制体构件相交线上进行数量为2倍分段数的点的等间距插值，生成针刺点和辅助点，其中奇数点为针刺点，偶数点为辅助点；
(4)依据分段数，在偏置切割平面与预制体构件相交线上进行数量为分段数的点的等间距插值，生成辅助点；
(5)依据上述生成的针刺点、辅助点，计算机器人末端方向矢量
Figure FSB0000201333660000011
通过向量叉乘计算机器人末端接近矢量
Figure FSB0000201333660000012
法向矢量
Figure FSB0000201333660000013
即
Figure FSB0000201333660000014
(6)向量
Figure FSB0000201333660000015
即为机器人末端姿态信息。
3.根据权利要求1所述的一种针刺机器人路径规划方法，其特征在于：步骤二、根据机器人末端的姿态信息，计算旋转矩阵，并通过旋转矩阵求解欧拉角；具体为：
(1)分别计算向量
Figure FSB0000201333660000016
的方向余弦，构成旋转矩阵；
(2)调用Matlab函数“eul＝rotm2eul(rotm，sequence)”将旋转矩阵转换成欧拉角。
4.根据权利要求1所述的一种针刺机器人路径规划方法，其特征在于：本方法能够快速准确批量生成针刺机器人所需的位姿数据。
5.根据权利要求1所述的一种针刺机器人路径规划方法，其特征在于：适用于任何复杂曲面的预制体构件针刺点位姿数据的生成。
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