基于matlab實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了三維軟件實(shí)體建模功能與MATLAB數(shù)據(jù)處理功能在一定程度上的結(jié)合；通過(guò)截取被測(cè)葉片指定高度的輪廓曲線便可方便、快捷地讀取葉片特征點(diǎn)的坐標(biāo)及姿態(tài)，并編寫特定算法的程序代碼實(shí)現(xiàn)葉形曲線的擬合、法向偏移、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)平移變換等一系列的復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算處理，并以坐標(biāo)圖形的形式顯示結(jié)果；不需要特定的編程語(yǔ)言及作業(yè)文件格式；可快速的求解機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)求解出的各關(guān)節(jié)角進(jìn)行多種插補(bǔ)運(yùn)算以規(guī)劃出合理的機(jī)器人檢測(cè)路徑；直接將數(shù)值處理后的點(diǎn)在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)仿真，保證了仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果的精確性。
【專利說(shuō)明】基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域，尤其是一種基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]葉片的型面是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)及流體力學(xué)理論經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算而設(shè)計(jì)出的空間型面，葉片型面的精度直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，因此葉片檢測(cè)是葉片加工的重要部分。常用的檢測(cè)方法包括接觸檢測(cè)法、三坐標(biāo)激光檢測(cè)法以及雙目視覺檢測(cè)法。
[0003]現(xiàn)實(shí)葉片檢測(cè)作業(yè)中，葉片的某一層往往只需檢測(cè)指定數(shù)量的點(diǎn)的位姿。但采用接觸檢測(cè)法需要在檢測(cè)點(diǎn)之間插入數(shù)千個(gè)點(diǎn)，不僅數(shù)據(jù)讀取工作量大影響效率而且后期的數(shù)據(jù)處理很復(fù)雜。雙目視覺測(cè)量法的攝像頭很受測(cè)量環(huán)境的影響，檢測(cè)中會(huì)引入大量的干涉點(diǎn)且需要進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，計(jì)算量大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。因此常用的接觸檢測(cè)法、三坐標(biāo)激光檢測(cè)法效率太低，雙目視覺檢測(cè)精度較差，因此選用工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)激光位移傳感器對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)葉片的聞精度、聞效性檢測(cè)。
[0004]但是現(xiàn)實(shí)操作中，工業(yè)機(jī)器人都是采用手持示教器或者自身的離線編程軟件進(jìn)行作業(yè)編程及仿真。一方面，大多數(shù)機(jī)器人都有自己專用的機(jī)器語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，不僅需要專業(yè)的技術(shù)支持而且需要手動(dòng)輸入各檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)及姿態(tài)或者導(dǎo)入特定格式的作業(yè)文件，效率低下；另一方面，在進(jìn)行手持示教或離線編程之前，需要借助其他軟件對(duì)作業(yè)對(duì)象進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理及坐標(biāo)標(biāo)定等，不僅對(duì)工控機(jī)的要求較高，影響編程及仿真效率而且由數(shù)據(jù)處理軟件向離線編程軟件輸出數(shù)據(jù)，再由離線編程軟件向機(jī)器人控制柜輸出數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳送的雙重誤差；最后，機(jī)器人自帶的離線編程軟件及國(guó)內(nèi)外開發(fā)的相應(yīng)的編程軟件，價(jià)格昂貴，難以推廣。
[0005]雖然三維建模軟件具有很強(qiáng)的實(shí)體建模能力，但數(shù)據(jù)處理能力較差，很難完成一系列復(fù)雜的數(shù)值算法及矩陣運(yùn)算；而MATLAB具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，但實(shí)體建模能力較差，雖然有自己的機(jī)器人工具箱模塊，但只能以圓柱來(lái)代替機(jī)器人的各關(guān)節(jié)，當(dāng)機(jī)器人的某姿態(tài)由于自身關(guān)節(jié)尺寸限制而不能達(dá)到時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)仿真失真，且沒(méi)有直觀性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提出一種基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，采用工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)激光位移傳感器對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)高精度，高效性檢測(cè)；借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將仿真平臺(tái)搭建在MATLAB環(huán)境下對(duì)葉片檢測(cè)進(jìn)行仿真。
[0007]本發(fā)明所米用的技術(shù)方案為:一種基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，在三維建模環(huán)境下，構(gòu)建機(jī)器人各關(guān)節(jié)及激光位移傳感器的實(shí)體模型，將模型以STL文件格式輸出以獲取各實(shí)體表面ASCII格式的數(shù)據(jù)模型；對(duì)葉片實(shí)體進(jìn)行剖切、曲線分割、插值等處理以獲取葉片檢測(cè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在MATLAB環(huán)境下，提取STL文件的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型由三維軟件向MATLAB的轉(zhuǎn)換；根據(jù)機(jī)器人的D-H坐標(biāo)系及正運(yùn)動(dòng)學(xué)，完成機(jī)器人的裝配及葉片檢測(cè)仿真平臺(tái)的搭建；加載葉片特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)行曲線擬合、法向偏移、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理以實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)向激光位移傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換；將轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)的位姿利用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的值，對(duì)相鄰兩點(diǎn)的各關(guān)節(jié)值以圓弧插補(bǔ)的方式進(jìn)行插值。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿著葉片特征點(diǎn)的法線方向以一定的偏距進(jìn)行檢測(cè)仿真。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:
[0009]a、實(shí)現(xiàn)了三維軟件實(shí)體建模功能與MATLAB數(shù)據(jù)處理功能在一定程度上的結(jié)合，只需導(dǎo)入由三維軟件輸出的各關(guān)節(jié)的STL文件便可在MATLAB環(huán)境下讀取實(shí)體表面的幾何信息，構(gòu)建任何型號(hào)機(jī)器人的實(shí)體模型；
[0010]b、通過(guò)截取被測(cè)葉片指定高度的輪廓曲線便可方便、快捷地讀取葉片特征點(diǎn)的坐標(biāo)及姿態(tài)，并編寫特定算法的程序代碼實(shí)現(xiàn)葉形曲線的擬合、法向偏移、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)平移變換等一系列的復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算處理，并以坐標(biāo)圖形的形式顯示結(jié)果；
[0011]C、不需要特定的編程語(yǔ)言及作業(yè)文件格式，只需將點(diǎn)的坐標(biāo)及姿態(tài)以txt文本的格式進(jìn)行存儲(chǔ)便可快速的讀取、輸出檢測(cè)點(diǎn)的位姿信息；
[0012]d、可快速的求解機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)求解出的各關(guān)節(jié)角進(jìn)行多種插補(bǔ)運(yùn)算以規(guī)劃出合理的機(jī)器人檢測(cè)路徑；
[0013]e、直接將數(shù)值處理后的點(diǎn)在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)仿真，不用導(dǎo)入機(jī)器人自帶離線編程軟件進(jìn)行指定位數(shù)的四舍五入，保證了仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果的精確性。
[0014]f、可在仿真無(wú)誤后，將各檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角按照機(jī)器人控制柜可以識(shí)別的文件格式進(jìn)行作業(yè)文件的編寫，將作業(yè)文件輸入機(jī)器人控制柜，控制機(jī)器人按照仿真路徑進(jìn)行現(xiàn)實(shí)作業(yè)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]圖1是本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的示意圖，僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0018]如圖1所示的是一種基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法的流程圖，具體步驟包括:
[0019]1、構(gòu)建機(jī)器人的D-H坐標(biāo)系及連桿參數(shù)。
[0020]2、在三維建模環(huán)境下，構(gòu)造機(jī)器人各關(guān)節(jié)及激光位移傳感器的實(shí)體模型，在裝配環(huán)境下參照D-H坐標(biāo)系創(chuàng)建各零件的參考坐標(biāo)系并完成裝配；導(dǎo)入葉片的三維模型，根據(jù)葉片的型面尺寸及機(jī)器人的測(cè)量范圍確定機(jī)器人及葉片的坐標(biāo)系位姿。
[0021]3、依次以每一個(gè)零件的參考坐標(biāo)系為參照，以STL文件的ASCII格式輸出各零件的數(shù)據(jù)模型(STL文件是一種由許多空間小三角形片面逼近三維實(shí)體表面的數(shù)據(jù)模型)。[0022]4、用平面對(duì)葉片實(shí)體模型的某一檢測(cè)高度進(jìn)行剖切，得到該高度上葉片截面的輪廓曲線。以構(gòu)成葉片截面輪廓曲線的四部分:前緣、葉盆、后緣和葉背為單位進(jìn)行曲線分割；分別向分割后的四段曲線按等圓弧法插入指定數(shù)量的點(diǎn)集，提取點(diǎn)集的三維坐標(biāo)并以txt文檔格式輸出。
[0023]5、在MATLAB環(huán)境下，通過(guò)讀入零件的STL文件來(lái)獲取該零件實(shí)體表面所有三角形片面的法矢量坐標(biāo)，三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)及片面?zhèn)€數(shù)，并以結(jié)構(gòu)體的形式保存；將包含有各零件ASCII信息的結(jié)構(gòu)體寫入標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制文件——mat文件。
[0024]6、將mat文件加載到MATLAB的工作空間。在MATLAB坐標(biāo)系下，依據(jù)機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將各實(shí)體表面的三角形片面信息按照實(shí)體參考坐標(biāo)系在機(jī)器人D-H坐標(biāo)系中的位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移變換，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在MATLAB環(huán)境下的實(shí)體裝配。
[0025]7、由于機(jī)器人的各關(guān)節(jié)只能繞著其軸線以特定的角度范圍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此，對(duì)實(shí)體表面的三角形片面信息以自身的軸線為參照進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換并設(shè)定旋轉(zhuǎn)范圍，便實(shí)現(xiàn)了各關(guān)節(jié)在MATLAB環(huán)境下的動(dòng)態(tài)仿真。
[0026]8、考慮到激光位移傳感器自身的幾何尺寸對(duì)葉片的干涉影響以及傳感器的測(cè)量方式及范圍，需要將檢測(cè)點(diǎn)沿著葉片截面的法線方向偏移一定的距離。操作如下:在MATLAB環(huán)境下，加載在三維建模環(huán)境下得到的點(diǎn)的三維坐標(biāo)，擬合出葉片截面輪廓曲線；求解出經(jīng)過(guò)各特征點(diǎn)與輪廓曲線垂直的法線；沿著法線方向偏移指定的距離。
[0027]9、參照機(jī)器人與葉片的相對(duì)位姿，將葉片坐標(biāo)系下，沿法線方向偏移后點(diǎn)集的坐標(biāo)及姿態(tài)旋轉(zhuǎn)、平移變化到機(jī)器人基坐標(biāo)系下；運(yùn)用機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將基坐標(biāo)系下點(diǎn)集的坐標(biāo)姿態(tài)轉(zhuǎn)換到激光位移傳感器的坐標(biāo)系下。
[0028]10、依據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，由激光位移傳感器坐標(biāo)系下的點(diǎn)集的位姿求解出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，對(duì)相鄰兩檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各關(guān)節(jié)角進(jìn)行圓弧插補(bǔ)；以插補(bǔ)后機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角及步長(zhǎng)為參數(shù)，編寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端的檢測(cè)工具沿著檢測(cè)點(diǎn)的法線方向，以一定的偏移距離順序檢測(cè)掃描。
[0029]本發(fā)明采用工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)激光位移傳感器對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)高精度，高效性檢測(cè)。借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將仿真平臺(tái)搭建在MATLAB環(huán)境下對(duì)葉片檢測(cè)進(jìn)行仿真。
[0030]以上說(shuō)明書中描述的只是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，各種舉例說(shuō)明不對(duì)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員在閱讀了說(shuō)明書后可以對(duì)以前所述的【具體實(shí)施方式】做修改或變形，而不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)在三維建模環(huán)境下，構(gòu)建機(jī)器人各關(guān)節(jié)及激光位移傳感器的實(shí)體模型； 2)將構(gòu)建好的模型以STL文件格式輸出以獲取各實(shí)體表面ASCII格式的數(shù)據(jù)模型； 3)對(duì)葉片實(shí)體進(jìn)行剖切、曲線分割以及插值處理以獲取葉片檢測(cè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)； 4)在MATLAB環(huán)境下，提取STL文件的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型由三維軟件向MATLAB的轉(zhuǎn)換； 5)根據(jù)機(jī)器人的D-H坐標(biāo)系及正運(yùn)動(dòng)學(xué)，完成機(jī)器人的裝配及葉片檢測(cè)仿真平臺(tái)的搭建； 6)加載葉片特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)行曲線擬合、法向偏移以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理以實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)向激光位移傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換； 7)將轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)的位姿利用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的值，對(duì)相鄰兩點(diǎn)的各關(guān)節(jié)值以圓弧插補(bǔ)的方式進(jìn)行插值； 8)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿著葉片特征點(diǎn)的法線方向以一定的偏距進(jìn)行檢測(cè)仿真。
2.如權(quán)利要求1所述的基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于:所述的步驟I)中，設(shè)置機(jī)器人的D-H坐標(biāo)系及連桿參數(shù)；在裝配環(huán)境下參照D-H坐標(biāo)系創(chuàng)建各零件的參考坐標(biāo)系并完成裝配。
3.如權(quán)利要求1所述的基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于:所述的步驟2)中的數(shù)據(jù)模型依次以每一個(gè)零件的參考坐標(biāo)系為參照。
4.如權(quán)利要求1所述的基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于:所述的步驟3)中用平面對(duì)葉片實(shí)體模型的某一個(gè)檢測(cè)高度進(jìn)行剖切并得到該高度上葉片截面的輪廓曲線。
5.如權(quán)利要求1所述的基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于:所述的步驟5)中，在MATLAB坐標(biāo)系下，依據(jù)機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將各實(shí)體表面的三角形片面信息按照實(shí)體參考坐標(biāo)系在機(jī)器人D-H坐標(biāo)系中的位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移變換，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在MATLAB環(huán)境下的實(shí)體裝配。
6.如權(quán)利要求1所述的基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于:所述的步驟7)中，由機(jī)器人與葉片的相對(duì)位姿，將葉片坐標(biāo)系下，沿法線方向偏移后點(diǎn)集的坐標(biāo)及姿態(tài)旋轉(zhuǎn)、平移變化到機(jī)器人基坐標(biāo)系下；運(yùn)用機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將基坐標(biāo)系下點(diǎn)集的坐標(biāo)姿態(tài)轉(zhuǎn)換到激光位移傳感器的坐標(biāo)系下。
7.如權(quán)利要求1所述的基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于:所述的步驟7)中，依據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，由激光位移傳感器坐標(biāo)系下的點(diǎn)集的位姿求解出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，對(duì)相鄰兩檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各關(guān)節(jié)角進(jìn)行圓弧插補(bǔ)。
8.如權(quán)利要求1所述的基于MATLAB實(shí)現(xiàn)機(jī)器人實(shí)體建模與葉片激光檢測(cè)仿真的方法，其特征在于:所述的步驟8)中，以插補(bǔ)后機(jī)器人的各關(guān)節(jié)角及步長(zhǎng)為參數(shù)，編寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端的檢測(cè)工具沿著檢測(cè)點(diǎn)的法線方向，以一定的偏移距離順序檢測(cè)掃描。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK103970033SQ201410214856
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】周軍, 梁齊龍, 廖華麗, 趙鴻飛, 李超, 高海明 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)