CN113146631A - 一种异型预制体机器人针刺成形路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，包括根据异型预制体三维模型和针刺步长对异型预制体模型表面进行分层切割，并且利用非均匀有理B样条方法对针刺路径进行拟合，获得机器人针刺路径；利用基于四阶龙格‑库塔的预估校正法对所述路径进行等步长插补处理，确定针刺点位置坐标信息；以机器人末端姿态描述方式计算机器人针刺姿态的角度；结合所述针刺点位置坐标信息和针刺姿态的角度，将姿态信息传输给机器人，按照规划路线进行针刺。本发明保证了针刺点位置坐标的均匀性和针刺姿态的一致性，提高异型预制体针刺成形质量；适用于任何复杂曲面预制体，实施简单，不依赖其他第三方软件，便于实现机器人针刺离线编程***的开发。

Description

一种异型预制体机器人针刺成形路径规划方法

技术领域

本发明涉及三维纺织预制体针刺成形自动化的技术领域，尤其涉及一种异型预制体机器人针刺成形路径规划方法。

背景技术

现阶段平板预制体和环形预制体针刺成形技术已经相对成熟，基本实现了预制体针刺成形的自动化生产。异型预制体针刺成形技术，由于技术相对复杂或者保密要求，目前国内外可查到的文献并不多见。Olry P(U.S.Patent 4621662)发明了“Novoltex”针刺成形技术，对于圆柱、圆锥等回转预制体均能产生比较好的针刺效果，缺点是无法完成变直径回转预制体的制备；Francois Monget等设计了一款数控复合材料纤维增强针刺设备(U.S.Patent 5642679)，设备采用龙门架式结构并配有数控***，工作范围更大自动化程度更高，可进行平面、曲面的针刺任务，缺点是针刺角度不可调节；同年，Olry P等发明了用于异型纤维预制体的针刺设备(U.S.Patent 5226217)，由四自由度机械臂拖动针刺头完成针刺，针刺头角度可以在0～90度范围进行调整，特别适合椭球、圆锥等特定类型的非封闭壳体制品的针刺工作。在国内，陈小明等发明了一种机器人针刺设备，设备采用由一台六自由度关节机器人和一台单轴水平变位机组成，基本适用于各种复杂预制体，缺点是单工位的设计让其不能适应复杂的针刺工艺。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有机器人针刺成形技术存在的问题，提出了本发明。

本发明解决的技术问题是：现有技术在进行异型预制体机器人针刺路径规划时局限性较大，过于依赖其他软件，实施起来较为困难。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：根据异型预制体三维模型和针刺步长对异型预制体模型表面进行分层切割，并且利用非均匀有理B样条方法对针刺路径进行拟合，获得机器人针刺路径；利用基于四阶龙格-库塔的预估校正法对所述路径进行等步长插补处理，确定针刺点位置坐标信息；以机器人末端姿态描述方式计算机器人针刺姿态的角度；结合所述针刺点位置坐标信息和针刺姿态的角度，将姿态信息传输给机器人，按照规划路线进行针刺。

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述异型预制体三维模型包括，利用计算机辅助设计软件，建立异型预制体的数字化模型，并将其保存为STL格式文本格式备用，从所述STL格式文本中提取包含三角面片的几何信息，采用逐行搜索的方式检索所述STL格式文本中的关键词外法矢量和顶点，并将三角面片的三个顶点坐标值v₁＝(x₁,y₁,z₁)、v₂＝(x₂,y₂,z₂)、v₃＝(x₃,y₃,z₃)和三角面片的外法矢量N＝(n_x,n_y,n_z)保存备用。

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述对异型预制体模型表面进行分层切割包括，结合提取的包含三角面片的几何信息，得到切平面与所述STL格式的异型预制体三维模型的轮廓交点坐标信息集合。

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述交点坐标信息集合包括，所述切平面与所述三角面片的相交情况分为：切平面与三角面片的顶点相交、切平面与三角面片的边相交；其中当X-Y切平面与三角面片的顶点相交时，轮廓交点坐标即为三角面片顶点坐标，当X-Y切平面与三角面片的边相交时,利用相似三角形原理求解三角面片边上的轮廓交点坐标。

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述获得机器人针刺路径包括，基于交点冗余信息对所述轮廓交点进行去重和排序处理，得到有序的针刺路径型值点集合{p_i}；采用3次非均匀有理B样条方法对所述针刺路径型值点集合{p_i}进行拟合，得到异型预制体针刺路径表达式：一条k次非均匀有理B样条曲线由以下有理分式表示：

其中，d_i为控制顶点，ω_i为权因子并与控制顶点d_i一一对应，N_i,3(u)为由节点矢量U决定的k次B样条基函数，下标i为序号，k为曲线的次数，其中节点矢量U为：

取u₀＝…＝u_k＝0，u_n+1＝…＝u_n+k+1＝1，其余节点参数在0～1之间取值，N_i,k(u)可由德布尔-考克斯递推公式求得：

使用累计弦长参数化方法对每一个所述针刺路径型值点p_i节点参数赋值为u_i，并确定节点矢量U，其中节点矢量U为：

其中：ω_i为给定权因子，在此全部取1，确定控制顶点反算方程组，其中反算控制顶点d_i、型值点p_i和控制顶点d_i间满足：

将求出的节点矢量U、控制顶点d_i和权因子ω_i依次代入所述非均匀有理B样条曲线的定义式中，得到针刺路径曲线表达式。

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述确定针刺点位置坐标信息包括，基于四阶龙格-库塔法对所述针刺路径曲线的节点参数u_i+1进行预估计算，得到预估针刺点坐标值，其中所述四阶龙格-库塔法对节点参数u_i+1的推进方程表示为如下：

其中：

u_i′、u_i″、u_i″′、u_i ⁽⁴⁾由高阶后向差分计算确定，具体表示为如下：

所述述四阶龙格-库塔法对节点参数u_i+1的预估值递推方程变换为：

递推方程初值u_i、u_i-1、u_i-2、u_i-3、u_i-4由二阶泰勒展开法求得，因此预估所述针刺点坐标信息为：

P_i+1＝C(u_i+1)

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述对路径进行等步长插补处理包括，使用校正公式对所述预估的针刺点坐标u_i+1进行修正，使针刺步长相对偏差δ保持在限定的范围内，提高所述节点参数u_i+1的计算精度，确保针刺步长一致，所述针刺步长相对偏差δ的计算公式为如下所示：

其中，ΔL_i为实际针刺插补步长，并且满足ΔL_i＝‖C(u_i+1)-C(u_i)‖，

为给定理想针刺步长，满足

当所述针刺步长相对偏差δ值在给定的约束区间内，则所述节点参数u_i+1对应的坐标值为有效针刺点坐标；当所述针刺步长相对偏差δ超出给定的约束区间内，则所述节点参数u_i+1对应的坐标值为无效针刺点坐标，此时需要对所述节点参数u_i+1进行修正，直至满足所述步长相对偏差δ，其具体修正方法如下所示：

其中，

为修正k次后的节点参数u_i+1，

为校正过程中第k次调整后的针刺步长，并且所述

满足

通过修正后的新节点参数

取得相对应的针刺点坐标

得到最终的针刺点坐标信息为：

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述计算机器人针刺姿态的角度包括，根据所述基于四阶龙格-库塔的预估校正法求得当前针刺点P_i+1对应的节点参数u_i+1，采用二分搜索法在所述节点矢量U的子区间{u₃,u₄,…,u_2+n,u_3+n}中搜索节点区间的下标i，可以确定机器人的针刺点位于所述路径型值点p_i与p_i+1之间，以此求出针刺点姿态矩阵R_i将其转化为RPY角，确认角度。

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述求出针刺点姿态矩阵R_i将其转化为RPY角包括，以针刺点P_i+1为坐标原点，型值点p_i和p_i+1之间连线

为第一个方向轴，所述型值点p_i和p_i+1所在三角面片的法向量N_i为第二个方向轴，二者的向量积为第三个坐标轴建立笛卡尔坐标系，其中所述针刺点P_i相邻两个型值点p_i、p_i+1组成的边

表示为：

所述针刺点P_i相邻两个型值点p_i、p_i+1所在三角面片的法向量N_i可表示为：

on_i＝N_i＝＝(ox_i,oy_i,oz_i)

二者的向量积可表示为：

ar_i＝ne_i×on_i＝(nx_i+1-nx_i,ny_i+1-ny_i,nz_i+1-nz_i)×(ox_i,oy_i,oz_i)

于是，机器人第i个针刺点的姿态旋转矩阵R_i表示为：

R_i＝[ne_i,on_i,ar_i]

将所述针刺点姿态矩阵R_i转化为RPY角，其中机器人RPY姿态转换矩阵表示为：

其中，cα,cβ,cγ分别为代表cosα，cosβ，cosγ，sα,sβ,sγ分别代表sinα，sinβ，sinγ；结合机器人姿态旋转矩阵，求得α、β、γ分别为：

作为本发明所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的一种优选方案，其中：所述按照规划路线进行针刺包括，将计算出的每一个针刺点位姿态信息以(x,y,z,α,β,γ)形式传送给机器人，所述机器人按照规划的路径进行针刺。

本发明的有益效果：相对于手动示教编程，保证了针刺点位置坐标的均匀性和针刺姿态的一致性，提高异型预制体针刺成形质量；本发明方法适用于任何复杂曲面预制体，只需给定异型预制体三维模型(STL格式)，即可实现针刺点位置坐标和姿态欧拉角的自动生成；实施简单，不依赖其他第三方软件，便于实现机器人针刺离线编程***的开发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的异型预制体STL格式文件几何信息提取流程图；

图3为本发明第一个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的针刺路径型值点NURBS拟合流程图；

图4为本发明第一个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的针刺点节点参数校正示意图；

图5为本发明第一个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的针刺点姿态笛卡尔坐标系建立示意图；

图6为本发明第一个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的姿态欧拉角描述示意图；

图7为本发明第二个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的异型预制体STL格式三维模型；

图8为本发明第二个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的切平面和三角面片相交情况示意图；

图9为本发明第二个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的交点冗余信息示意图；

图10为本发明第二个实施例所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法的针刺点位置和姿态仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～6，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，包括：

S1：根据异型预制体三维模型(STL文本格式)和针刺步长(由针刺工艺自由设定)对异型预制体模型表面进行分层切割，并且利用非均匀有理B样条方法(NURBS)对针刺路径进行拟合，获得机器人针刺路径。其中需要说明的是，

异型预制体三维模型包括，利用计算机辅助设计(CAD)软件，建立异型预制体的数字化模型，并将其保存为STL格式文本格式备用，从STL格式文本中提取包含三角面片的几何信息，采用逐行搜索的方式检索STL格式文本中的关键词外法矢量(facet normal)和顶点(vertex)，并将三角面片的三个顶点坐标值v₁＝(x₁,y₁,z₁)、v₂＝(x₂,y₂,z₂)、v₃＝(x₃,y₃,z₃)和三角面片的外法矢量N＝(n_x,n_y,n_z)保存备用，其具体流程如下图2所示；结合提取的包含三角面片的几何信息，得到切平面与STL格式的异型预制体三维模型的轮廓交点坐标信息集合；

进一步的是，交点坐标信息集合包括，切平面与三角面片的相交情况分为：切平面与三角面片的顶点相交、切平面与三角面片的边相交；其中当X-Y切平面与三角面片的顶点相交时，轮廓交点坐标即为三角面片顶点坐标，当X-Y切平面与三角面片的边相交时,利用相似三角形原理求解三角面片边上的轮廓交点坐标；

获得机器人针刺路径包括，基于交点冗余信息对轮廓交点进行去重和排序处理，得到有序的针刺路径型值点集合{p_i}；采用3次NURBS方法对针刺路径型值点集合{p_i}进行拟合，其拟合流程图如下图3所示，得到异型预制体针刺路径表达式：

一条k次NURBS曲线由以下有理分式表示：

其中，d_i为控制顶点，ω_i为权因子并与控制顶点d_i一一对应，N_i,3(u)为由节点矢量U决定的k次B样条基函数，下标i为序号，k为曲线的次数，其中节点矢量U为：

取u₀＝…＝u_k＝0，u_n+1＝…＝u_n+k+1＝1，其余节点参数在0～1之间取值，N_i,k(u)可由德布尔-考克斯递推公式求得：

使用累计弦长参数化方法对每一个针刺路径型值点p_i节点参数赋值为u_i，并确定节点矢量U，其中节点矢量U为：

其中：ω_i为给定权因子，在此全部取1，确定控制顶点反算方程组，其中反算控制顶点d_i、型值点p_i和控制顶点d_i间满足：

将求出的节点矢量U、控制顶点d_i和权因子ω_i依次代入NURBS曲线的定义式中，得到针刺路径曲线表达式。

S2：利用基于四阶龙格-库塔的预估校正法对路径进行等步长插补处理，确定针刺点位置坐标信息。其中需要说明的是，

确定针刺点位置坐标信息包括，基于四阶龙格-库塔法对针刺路径曲线的节点参数u_i+1进行预估计算，得到预估针刺点坐标值，其中四阶龙格-库塔法的表达式为：

其中：

其中：f为函数y关于自变量x的一阶导数，x_i和y_i分别为当前时刻以及当前时刻对应值，h为时间间隔，k₁为起始时间的斜率，k₂为时间间隔中点时的斜率，使用欧拉法选用斜率k₁决定y在点

的值，k₃也是时间间隔中点的斜率，不同于k₂这次选用斜率k₂决定y值，k₄是终止时间的斜率，其y值用k₃决定；

令针刺路径NURBS曲线的节点参数u_i＝y_i，针刺路径NURBS曲线的插补周期T＝h，即可得到基于四阶龙格库塔算法关于节点参数u_i+1的递推方程：

其中：

其中：u_i为针刺路径NURBS曲线上第i个节点参数，T为针刺路径NURBS曲线的插补周期；经整理得节点参数增量Δu为：

u_i′、u_i″、u_i″′、u_i ⁽⁴⁾由高阶后向差分计算确定，具体表示为如下：

述四阶龙格-库塔法对节点参数u_i+1的预估值递推方程变换为：

递推方程初值u_i、u_i-1、u_i-2、u_i-3、u_i-4由二阶泰勒展开法求得，因此预估针刺点坐标信息为：

P_i+1＝C(u_i+1)

进一步的是，对路径进行等步长插补处理包括，使用校正公式对预估的针刺点坐标u_i+1进行修正，其校正形式如图4所示，使针刺步长相对偏差δ保持在限定的范围内，提高节点参数u_i+1的计算精度，确保针刺步长一致，针刺步长相对偏差δ的计算公式为如下所示：

其中，ΔL_i为实际针刺插补步长，并且满足ΔL_i＝‖C(u_i+1)-C(u_i)‖，

为给定理想针刺步长，满足

当针刺步长相对偏差δ值在给定的约束区间内，则节点参数u_i+1对应的坐标值为有效针刺点坐标；当针刺步长相对偏差δ超出给定的约束区间内，则节点参数u_i+1对应的坐标值为无效针刺点坐标，此时需要对节点参数u_i+1进行修正，直至满足步长相对偏差δ，其具体修正方法如下所示：

其中，

为修正k次后的节点参数u_i+1，

为校正过程中第k次调整后的针刺步长，并且

满足

通过修正后的新节点参数

取得相对应的针刺点坐标

得到最终的针刺点坐标信息为：

S3：以机器人末端姿态描述方式计算机器人针刺姿态的角度。其中需要说明的是，

计算机器人针刺姿态的角度包括，根据基于四阶龙格-库塔的预估校正法求得当前针刺点P_i+1对应的节点参数u_i+1，采用二分搜索法在节点矢量U的子区间{u₃,u₄,…,u_2+n,u_3+n}中搜索节点区间的下标i，可以确定机器人的针刺点位于路径型值点p_i与p_i+1之间，以此求出针刺点姿态矩阵R_i将其转化为RPY角，确认角度；

进一步的是，求出针刺点姿态矩阵R_i将其转化为RPY角包括，以针刺点P_i+1为坐标原点，型值点p_i和p_i+1之间连线

为第一个方向轴，型值点p_i和p_i+1所在三角面片的法向量N_i为第二个方向轴，二者的向量积为第三个坐标轴建立笛卡尔坐标系，如图5所示，其中针刺点P_i相邻两个型值点p_i、p_i+1组成的边

表示为：

针刺点P_i相邻两个型值点p_i、p_i+1所在三角面片的法向量N_i可表示为：

on_i＝N_i＝＝(ox_i,oy_i,oz_i)

二者的向量积可表示为：

ar_i＝ne_i×on_i＝(nx_i+1-nx_i,ny_i+1-ny_i,nz_i+1-nz_i)×(ox_i,oy_i,oz_i)

于是，机器人第i个针刺点的姿态旋转矩阵R_i表示为：

R_i＝[ne_i,on_i,ar_i]

将针刺点姿态矩阵R_i转化为RPY角，机器人姿态的RPY描述方法如图6所示，首先绕n轴旋转γ角，再绕o轴旋转β角，最后绕a轴旋转α角，α、β、γ分别为其滚动角、俯仰角和偏航角，其中机器人RPY姿态转换矩阵表示为：

其中，cα,cβ,cγ分别为代表cosα，cosβ，cosγ，sα,sβ,sγ分别代表sinα，sinβ，sinγ；结合机器人姿态旋转矩阵，求得α、β、γ分别为：

S4：结合针刺点位置坐标信息和针刺姿态的角度，将姿态信息传输给机器人，按照规划路线进行针刺。其中需要说明的是，

按照规划路线进行针刺包括，将计算出的每一个针刺点位姿态信息以(x,y,z,α,β,γ)形式传送给机器人，机器人按照规划的路径进行针刺。

实施例2

参照图7～10，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供六自由度串联关节机器人和单轴水平旋转变位机组成的异型预制体针刺单元为实施对象对本发明方法进行进一步说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

参照图7为异型预制体三维模型，为了便于描述选取单切片层进行说明，并且在机器人针刺成形路径规划仿真过程中设定的其他条件还包括：切片方向为Z轴，切片层高度z＝681mm，机器人的末端线速度V＝100mm/s，插补周期为T＝0.04s，针刺步长L＝V·T＝4mm，针刺步长最大相对偏差δ_max＝10²％。

根据异型预制体三维模型(STL文本格式)和针刺步长(由针刺工艺自由设定)，设置切平面(z＝681mm处)对异型预制体STL模型表面进行分层切割处理，采用NURBS(非均匀有理B样条)方法对针刺路径型值点序列{p_i}进行拟合，最终获得机器人针刺路径的NURBS表达式；

其中异型预制体STL文本格式结构片段及段含义为：

STL文件由多个三角形面片定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的坐标及三角形面片的外法矢量；

如图8所示，切平面与三角面片相交的两种情况为：

当X-Y切平面与三角面片的顶点相交时，轮廓交点坐标即为三角面片顶点v₃的坐标，即

当X-Y切平面与三角面片的边相交时,利用相似三角形原理求解三角面片边v₁v₂上的轮廓交点坐标，即：

如图9所示，由于STL文件遵循共边规则，三角面片T₁、T₂共用一条边，T₁、T₂与切平面的交点分别为[a，b]、[c，d]，其中坐标值b＝c。

在保存交点坐标时可将c点视为b点的冗余交点坐标，利用三角面片与切平面的交点坐标b可快速查到其冗余交点坐标c，得到三角面片T₁的邻接三角面片T₂，从而得到去重后的针刺路径型值点序列为[a，b，c]，同理，得到有序的针刺路径型值点集合{p_i}。

采用基于四阶龙格-库塔的预估校正法对S1求得的针刺NURBS路径进行等步长插补处理，求得针刺点处节点参数u_i+1，以此确定针刺点位置坐标信息；确定针刺姿态，由机器人末端姿态描述方式，进而计算旋转矩阵，并将旋转矩阵转换为欧拉角，最终将计算的每一个针刺点位姿态信息以(x,y,z,α,β,γ)形式传送给机器人，机器人按照规划的路径进行针刺，采用MATLAB软件对此实施例进行仿真，进一步验证机器人针刺成形路径规划方法的正确性，仿真结果如图10所示。

从图10中可以看出，使用本方法所得的针刺点位置均匀，针刺点姿态基本一致，符合针刺工艺要求，验证了方法的正确性；并且与传统的针刺机器人路径规划方法相比，本方法的使用不依赖其他第三方软件，方法简单可靠，局限性较小便于实现机器人针刺离线编程***的开发。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：包括，

根据异型预制体三维模型和针刺步长对异型预制体模型表面进行分层切割，并且利用非均匀有理B样条方法对针刺路径进行拟合，获得机器人针刺路径；

利用基于四阶龙格-库塔的预估校正法对所述路径进行等步长插补处理，确定针刺点位置坐标信息；

以机器人末端姿态描述方式计算机器人针刺姿态的角度；

结合所述针刺点位置坐标信息和针刺姿态的角度，将姿态信息传输给机器人，按照规划路线进行针刺。

2.如权利要求1所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述异型预制体三维模型包括，

利用计算机辅助设计软件，建立异型预制体的数字化模型，并将其保存为STL格式文本格式备用，从所述STL格式文本中提取包含三角面片的几何信息，采用逐行搜索的方式检索所述STL格式文本中的关键词外法矢量和顶点，并将三角面片的三个顶点坐标值v₁＝(x₁,y₁,z₁)、v₂＝(x₂,y₂,z₂)、v₃＝(x₃,y₃,z₃)和三角面片的外法矢量N＝(n_x,n_y,n_z)保存备用。

3.如权利要求2所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述对异型预制体模型表面进行分层切割包括，

结合提取的包含三角面片的几何信息，得到切平面与所述STL格式的异型预制体三维模型的轮廓交点坐标信息集合。

4.如权利要求3所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述交点坐标信息集合包括，

所述切平面与所述三角面片的相交情况分为：切平面与三角面片的顶点相交、切平面与三角面片的边相交；其中当X-Y切平面与三角面片的顶点相交时，轮廓交点坐标即为三角面片顶点坐标，当X-Y切平面与三角面片的边相交时,利用相似三角形原理求解三角面片边上的轮廓交点坐标。

5.如权利要求4所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述获得机器人针刺路径包括，

基于交点冗余信息对所述轮廓交点进行去重和排序处理，得到有序的针刺路径型值点集合{p_i}；采用3次非均匀有理B样条方法对所述针刺路径型值点集合{p_i}进行拟合，得到异型预制体针刺路径表达式：

一条k次非均匀有理B样条曲线由以下有理分式表示：

其中，d_i为控制顶点，ω_i为权因子并与控制顶点d_i一一对应，N_i,3(u)为由节点矢量U决定的k次B样条基函数，下标i为序号，k为曲线的次数，其中节点矢量U为：

取u₀＝…＝u_k＝0，u_n+1＝…＝u_n+k+1＝1，其余节点参数在0～1之间取值，N_i,k(u)可由德布尔-考克斯递推公式求得：

使用累计弦长参数化方法对每一个所述针刺路径型值点p_i节点参数赋值为u_i，并确定节点矢量U，其中节点矢量U为：

其中：ω_i为给定权因子，在此全部取1，确定控制顶点反算方程组，其中反算控制顶点d_i、型值点p_i和控制顶点d_i间满足：

将求出的节点矢量U、控制顶点d_i和权因子ω_i依次代入所述非均匀有理B样条曲线的定义式中，得到针刺路径曲线表达式。

6.如权利要求1或5所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述确定针刺点位置坐标信息包括，

基于四阶龙格-库塔法对所述针刺路径曲线的节点参数u_i+1进行预估计算，得到预估针刺点坐标值，其中所述四阶龙格-库塔法对节点参数u_i+1的推进方程表示为如下：

其中：

u′_i、u″_i、u″′_i、u_i ⁽⁴⁾由高阶后向差分计算确定，具体表示为如下：

所述述四阶龙格-库塔法对节点参数u_i+1的预估值递推方程变换为：

递推方程初值u_i、u_i-1、u_i-2、u_i-3、u_i-4由二阶泰勒展开法求得，因此预估所述针刺点坐标信息为：

P_i+1＝C(u_i+1)

7.如权利要求6所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述对路径进行等步长插补处理包括，

使用校正公式对所述预估的针刺点坐标u_i+1进行修正，使针刺步长相对偏差δ保持在限定的范围内，提高所述节点参数u_i+1的计算精度，确保针刺步长一致，所述针刺步长相对偏差δ的计算公式为如下所示：

其中，ΔL_i为实际针刺插补步长，并且满足ΔL_i＝‖C(u_i+1)-C(u_i)‖，

为给定理想针刺步长，满足

当所述针刺步长相对偏差δ值在给定的约束区间内，则所述节点参数u_i+1对应的坐标值为有效针刺点坐标；当所述针刺步长相对偏差δ超出给定的约束区间内，则所述节点参数u_i+1对应的坐标值为无效针刺点坐标，此时需要对所述节点参数u_i+1进行修正，直至满足所述步长相对偏差δ，其具体修正方法如下所示：

其中，

为修正k次后的节点参数u_i+1，

为校正过程中第k次调整后的针刺步长，并且所述

满足

通过修正后的新节点参数

取得相对应的针刺点坐标

得到最终的针刺点坐标信息为：

8.如权利要求6或7所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述计算机器人针刺姿态的角度包括，

根据所述基于四阶龙格-库塔的预估校正法求得当前针刺点P_i+1对应的节点参数u_i+1，采用二分搜索法在所述节点矢量U的子区间{u₃,u₄,…,u_2+n,u_3+n}中搜索节点区间的下标i，可以确定机器人的针刺点位于所述路径型值点p_i与p_i+1之间，以此求出针刺点姿态矩阵R_i将其转化为RPY角，确定姿态角度。

9.如权利要求8所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述求出针刺点姿态矩阵R_i将其转化为RPY角包括，

以针刺点P_i+1为坐标原点，型值点p_i和p_i+1之间连线

为第一个方向轴，所述型值点p_i和p_i+1所在三角面片的法向量N_i为第二个方向轴，二者的向量积为第三个坐标轴建立笛卡尔坐标系，其中所述针刺点P_i相邻两个型值点p_i、p_i+1组成的边

表示为：

所述针刺点P_i相邻两个型值点p_i、p_i+1所在三角面片的法向量N_i可表示为：

on_i＝N_i＝＝(ox_i,oy_i,oz_i)

二者的向量积可表示为：

ar_i＝ne_i×on_i＝(nx_i+1-nx_i,ny_i+1-ny_i,nz_i+1-nz_i)×(ox_i,oy_i,oz_i)

于是，机器人第i个针刺点的姿态旋转矩阵R_i表示为：

将所述针刺点姿态矩阵R_i转化为RPY角，其中机器人RPY姿态转换矩阵表示为：

其中，cα,cβ,cγ分别为代表cosα，cosβ，cosγ，sα,sβ,sγ分别代表sinα，sinβ，sinγ；结合机器人姿态旋转矩阵，求得α、β、γ分别为：

10.如权利要求9所述的异型预制体机器人针刺成形路径规划方法，其特征在于：所述按照规划路线进行针刺包括，

将计算出的每一个针刺点位姿态信息以(x,y,z,α,β,γ)形式传送给机器人，所述机器人按照规划的路径进行针刺。

Images