一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，包括人機界面和算法兩大部分；人機界面包括整合運動特征分析界面、柱坐標反算方式界面、柱坐標正算方式界面和數據輸出界面；算法包括正算算法和反算算法，以及位移、速度、加速度曲線顯示算法及其模塊；本系統能根據正、反算算法進行涉及機械手末端執行元件和原動機相互位置關系的正反算，以曲線和表格的方式輸出末端元件運動特征信息，以空間方程的形式描述Delta并聯機械手B關節三角形相關幾何特征信息，并制作TXT格式系統模擬演算數據列表，B關節是Delta并聯機械手手臂的上臂與下臂連接處的關節。本發明可以有效實現Delta并聯機械手的運動特征分析。
【專利說明】-種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及工業自動化系統結構構建及仿真控制的【技術領域】，尤其是指一種用于 Delta并聯機械手的運動特征分析系統。
【背景技術】
[0002] 柔性機器人（機械手）用于智能抓取，一般配合視覺成像及氣動執行實現抓取動 作，常用于抓取食品（巧克力、糖果、餅干、月餅等）、電子元件等物料。Delta機構在三維 空間內高效的物流解決方案推動了各國機器人公司就該機構的開發熱潮。迄今為止，上述 各種高速并聯機械手已應用在電子、醫藥、食品等工業自動化生產或包裝流水線的分揀、抓 放、包裝等操作。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于克服現有技術的不足與缺陷，提供一種用于Delta并聯機械手 的運動特征分析系統，可以實現輸入空間柱坐標數據、機械手末端執行元件和原動機位置 正算反算、輸出末端元件位移、速度和加速度曲線等功能。
[0004] 為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種用于Delta并聯機械手的運 動特征分析系統，包括由Visual Basic語言制作的人機界面和算法兩大部分；所述人機界 面包括整合運動特征分析界面、柱坐標反算方式界面、柱坐標正算方式界面和數據輸出界 面；所述算法包括基于空間解析幾何的正算算法和反算算法，以及位移、速度、加速度曲線 顯示算法及其模塊；所述系統能夠根據正、反算算法進行涉及機械手末端執行元件和原動 機相互位置關系的正反算，以曲線和表格的方式輸出末端元件運動特征信息，以空間方程 的形式描述Delta并聯機械手B關節三角形相關幾何特征信息，并制作TXT格式系統模擬 演算數據列表，其中，所述B關節是Delta并聯機械手手臂的上臂與下臂連接處的關節。
[0005] 在整合運動特征分析界面下能進行機械手手臂長度輸入、末端執行元件空間始末 位置柱坐標輸入、與始末位置柱坐標相對應的角位移驅動器相對運轉角度輸出、相關運動 特征信息輸出工作；
[0006] 在整合運動特征分析界面下輸入各手臂長度和末端執行元件始末位置坐標，系統 將按照內部所整合的正算和反算算法，先通過反算得到并顯示角位移驅動器的轉角，然后 以該反算結果為基礎，假設末端執行元件是以直線段為軌跡，計算并顯示出三個角位移驅 動器的始末角位移數值，以此假設為基礎，計算并繪制出指定時間內按照勻加速-勻速-勻 減速運動方式時末端執行元件三坐標方向位移、速度和加速度曲線。
[0007] 在柱坐標反算方式界面下能進行機械手手臂長度輸入、末端執行元件空間始末位 置柱坐標輸入、包含兩種可行解的角位移驅動器相對運轉角度輸出、三個角位移驅動器轉 角-時間關系曲線輸出工作；
[0008] 在柱坐標反算方式界面輸入各手臂長度和末端執行元件位置坐標，能夠計算出 滿足條件的兩組解，其中一組解為一不可實現的奇異解，由于采用基于空間解析幾何的反 算算法，算法本身涉及三角函數方程，因而產生了該奇異解，輸入末端執行元件始末位置坐 標，能夠計算并繪制出三個角位移驅動器的角位移隨時間變化曲線。
[0009] 在柱坐標正算方式界面下能進行角位移驅動器始末轉角輸入；B關節三角形幾何 特征輸出，包括B 1B2B3關節軸承平面方程輸出、B1B2中垂面方程輸出、B關節處Λ B1B2B3三邊 長輸出、B關節處Λ B1B2B3外接圓半徑輸出和B關節處Λ B1B2B3外心坐標輸出，B2、B3分 別代表Delta并聯機械手的三組手臂的B關節；末端執行元件中心D點坐標輸出和相關運 動特征信息輸出工作；
[0010] 在柱坐標正算方式界面輸入三個角位移驅動器角度的始末數值，系統將根據正算 算法按照B 1B2B3關節軸承平面方程、B1B2和B 2B3中垂面方程、B關節處Λ B1B2B3三邊長、B關 節處Λ B1B2B3外接圓半徑和B關節處Λ B1B2B3外心坐標的順序進行計算，充分展示系統計算 過程，最后得出末端執行元件中心D點的坐標，并且計算和繪制出末端執行元件三坐標方 向位移、速度和加速度曲線。
[0011] 在數據輸出界面下能進行機械手手臂長度輸入、各手臂轉動慣量輸入、各臂質量 輸入、末端執行兀件始末位置坐標輸入、要求運動時間輸入、角位移驅動器始末角度輸出、 角位移驅動器平均速率輸出、導出系統模擬演算數據列表工作；
[0012] 在數據輸出界面下輸入各手臂長度、手臂轉動慣量和手臂、末端執行元件質量、末 端執行元件始末位置坐標和運行時間，系統將按照末端執行元件以直線段為軌跡，角位移 驅動器勻加速-勻速-勻加速運動方式的假設計算并顯示角位移驅動器勻速運動階段速 度，記錄運動過程中若干分段，每一分段的坐標、速度和加速度值，并提供輸出TXT數據表 格的功能。
[0013] 所述整合運動特征分析界面和柱坐標正算方式界面都擁有輸出末端執行元件三 坐標方向位移、速度和加速度曲線的功能，其采用了 VB程序中的Graphics圖形繪制方式， 并提供對顯示曲線相對坐標軸的比例尺進行調整的功能，所述柱坐標反算方式界面和柱坐 標正算方式界面提供了正算和反算相分離的界面。
[0014] 所述反算是輸入末端執行元件的空間位置柱坐標，通過算法計算出電動機運動角 度，其算法如下 ：
[0015] 程序內部采用柱坐標計算，自定義角初始值為30度，下面變量說明=I1SOA距離， I2為上臂長度，I3為下臂長度，I4為末端執行元件中心距三個關節軸承的距離，dx為末端執 行元件中心定義的角度變量，dy為末端執行元件中心定義的半徑變量，dz為末端執行元件 中心定義的高度變量，0為上臂與水平方向夾角，〇pA、opB、opC為3方程的三個常數，由已 知條件計算得出；
[0016] 直線運動方式計算：
[0017] 設從（Θ i，rl，hi)運動至（Θ 2, r2, h2)，電機正在勻速轉動
[0018] (柱坐標）
【權利要求】
1. 一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在于：包括由Visual Basic語言制作的人機界面和算法兩大部分；所述人機界面包括整合運動特征分析界面、 柱坐標反算方式界面、柱坐標正算方式界面和數據輸出界面；所述算法包括基于空間解析 幾何的正算算法和反算算法，以及位移、速度、加速度曲線顯示算法及其模塊；所述系統能 夠根據正、反算算法進行涉及機械手末端執行元件和原動機相互位置關系的正反算，以曲 線和表格的方式輸出末端元件運動特征信息，以空間方程的形式描述Delta并聯機械手B 關節三角形相關幾何特征信息，并制作TXT格式系統模擬演算數據列表，其中，所述B關節 是Delta并聯機械手手臂的上臂與下臂連接處的關節。
2. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在 于：在整合運動特征分析界面下能進行機械手手臂長度輸入、末端執行元件空間始末位置 柱坐標輸入、與始末位置柱坐標相對應的角位移驅動器相對運轉角度輸出、相關運動特征 信息輸出工作； 在整合運動特征分析界面下輸入各手臂長度和末端執行元件始末位置坐標，系統將按 照內部所整合的正算和反算算法，先通過反算得到并顯示角位移驅動器的轉角，然后以該 反算結果為基礎，假設末端執行元件是以直線段為軌跡，計算并顯示出三個角位移驅動器 的始末角位移數值，以此假設為基礎，計算并繪制出指定時間內按照勻加速-勻速-勻減速 運動方式時末端執行元件三坐標方向位移、速度和加速度曲線。
3. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征 在于：在柱坐標反算方式界面下能進行機械手手臂長度輸入、末端執行元件空間始末位 置柱坐標輸入、包含兩種可行解的角位移驅動器相對運轉角度輸出、三個角位移驅動器轉 角-時間關系曲線輸出工作； 在柱坐標反算方式界面輸入各手臂長度和末端執行元件位置坐標，能夠計算出滿足條 件的兩組解，其中一組解為一不可實現的奇異解，由于采用基于空間解析幾何的反算算法， 算法本身涉及三角函數方程，因而產生了該奇異解，輸入末端執行元件始末位置坐標，能夠 計算并繪制出三個角位移驅動器的角位移隨時間變化曲線。
4. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在 于：在柱坐標正算方式界面下能進行角位移驅動器始末轉角輸入；B關節三角形幾何特征 輸出，包括B1B2B3關節軸承平面方程輸出、B1B2中垂面方程輸出、B關節處ΛB1B2B3三邊長輸 出、B關節處ΛB1B2B3外接圓半徑輸出和B關節處ΛB1B2B3外心坐標輸出，B2、B3分別代 表Delta并聯機械手的三組手臂的B關節；末端執行元件中心D點坐標輸出和相關運動特 征信息輸出工作； 在柱坐標正算方式界面輸入三個角位移驅動器角度的始末數值，系統將根據正算算法 按照B1B2B3關節軸承平面方程、B1B2和B2B3中垂面方程、B關節處ΛB1B2B3三邊長、B關節處 ΛB1B2B3外接圓半徑和B關節處ΛB1B2B3外心坐標的順序進行計算，充分展示系統計算過 程，最后得出末端執行元件中心D點的坐標，并且計算和繪制出末端執行元件三坐標方向 位移、速度和加速度曲線。
5. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在 于：在數據輸出界面下能進行機械手手臂長度輸入、各手臂轉動慣量輸入、各臂質量輸入、 末端執行兀件始末位置坐標輸入、要求運動時間輸入、角位移驅動器始末角度輸出、角位移 驅動器平均速率輸出、導出系統模擬演算數據列表工作； 在數據輸出界面下輸入各手臂長度、手臂轉動慣量和手臂、末端執行元件質量、末端執 行元件始末位置坐標和運行時間，系統將按照末端執行元件以直線段為軌跡，角位移驅動 器勻加速-勻速-勻加速運動方式的假設計算并顯示角位移驅動器勻速運動階段速度，記 錄運動過程中若干分段，每一分段的坐標、速度和加速度值，并提供輸出TXT數據表格的功 能。
6. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在 于：所述整合運動特征分析界面和柱坐標正算方式界面都擁有輸出末端執行元件三坐標方 向位移、速度和加速度曲線的功能，其采用了VB程序中的Graphics圖形繪制方式，并提供 對顯示曲線相對坐標軸的比例尺進行調整的功能；所述柱坐標反算方式界面和柱坐標正算 方式界面提供了正算和反算相分離的界面。
7. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在 于：所述反算是輸入末端執行元件的空間位置柱坐標，通過算法計算出電動機運動角度，其 算法如下： 程序內部采用柱坐標計算，自定義角初始值為30度，下面變量說明=I1為OA距離，I2為 上臂長度，I3為下臂長度，I4為末端執行元件中心距三個關節軸承的距離，dx為末端執行元 件中心定乂的角度變量，dy為末端執彳丁兀件中心定乂的半徑變量，dz為末端執彳丁兀件中心 定義的高度變量，3為上臂與水平方向夾角，〇pA、〇pB、〇pC為3方程的三個常數，由已知條件 計算得出； 直線運動方式計算： 設從（Θi，rl，hi)運動至（Θ2,r2,h2)，電機正在勻速轉動
設D點坐標為D(ΘD，rD,hD) 設計坐標轉移程序
其中范圍rD彡13L18,hD彡244. 18 對BC兩點應用距離公式，其中A為未知數 [rDcosΘΒ +14cos(9 - (Z1 +12cosS1)cosO]2 +[rDsin9D +14sin0 -(/L +12cosS1)sinO]2 +{hD -12sin)2 =ii 展開
化簡3 三組手臂應用同樣的過程進行化簡
解上述三角函數方程opAsinΘ+opBcosΘ+〇pC= 0 應用公式
可解得0; 所述正算是通過得到的反算數據，假設末端執行元件以直線方式從空間起始點勻加 速、勻速、勻減速的情況下，計算出期間位移、速度和加速后，可以選擇性輸出計算數據或以 s-t、v-t、a_t圖的形式顯不出來，其算法如下：
空間一點距B1、B2、B3的距離相等，B1、B2、B3分別代表Delta并聯機械手的三組手臂 的B關節， 確定B1，B2，B3外接圓圓心 nIift 夕卜接圓 ,,a+b+c半圓長P=-2- 海倫公式S=yjp(p-a)(p-b)(p-c) p ▲' sj(a+b+c)(a+b-c)(a-b+c)(-a+b+c) 其中abc為三邊長，由空間距離公式所得； 外接圓圓心坐標公式如下：
采用方向向量的方法對增量進行定義 設兩點（xl，yl，zl)和（x2，y2，z2),其方向向量為（x2-xl，y2-yl，z2_zl)各方向增量 可定義為^ ηηη 圓柱坐標下設兩點（Θη,Ii1)和（Θ2,r2,h2) 方向向量（r2cosΘ^r1COSθ"r2sinΘ^-IT1Sinθ"Ji2-Ii1) 方向向量轉圓柱坐標如下：
方向增量應為：
程序中定義方向向量為vic，即向量victor笛卡爾坐標表示的柱坐標為dex，dey，dez 貝 1J有初值dex=I11COSΘDdey=risinθοdez=hi 有各方向增量deltax，deltay，deltaz 且為定值deltay=^in^ sin^deltaz=^ ηηn 方程數組： 首榜I用h翁紐，方傾杳看，鮮拖翁紐先用hh和hhh代替
COS COSjfflCOSK1 已解得B平面方程，則求得Β1Β2，Β2Β3，Β3Β1方向余弦矩陣 2 2 2 根據 3 3 3 COSC1 COS/7,COSK1 三角形外心性質,外心O應在平面COSi2 COS/?: COSK2三個平面匯交處再次解三元一次 A B C 方程 附方向余弦求法：
采用向量法，已知手部運動特性為只有平移，故將^向手部中心平移一定距離可形成 類似球的特征幾何體， 三個平移向量為平移距離為I4，設平移向量為M0VE(3,3)M0VE矩陣為
B點往向量平移，作矩陣相加，注意付回； 平移變換采用四維矩陣乘法變換 B點坐標需增加一維，基本方法如下：
依照上述方法求取三角形外接圓心坐標 半周長P=^|^ '海倫公式」P(P-U)(P-b)(P―c) 夕卜接圓半徑R=$ 求取OD直線表達式，垂直平面B1B2B3且過D的方向向量可表示，方向向量前進也-Ri長度，即為D點位置。
8. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在 于：所述系統包括Delta并聯機械手單臂集合特征輸入模塊，通過該模塊可以改變內部計 算用Delta并聯機械手的尺寸特征，進而可用于計算以加速度為指標的Delta并聯機械手 的最優解。
9. 根據權利要求1所述的一種用于Delta并聯機械手的運動特征分析系統，其特征在 于：所述系統包括計算結果顯示模塊，所述計算結果顯示模塊附有比例尺定義框，可通過定 義比例尺大小控制圖線在坐標中的顯示。
【文檔編號】G06T7/20GK104240263SQ201410371239
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】何凱文, 張東, 李俊璋, 李忠浪, 梁煒豐, 蘇建威 申請人:華南理工大學