构型相关障碍域中闭链机构曲线连杆几何综合方法及系统

本发明涉及机构设计、计算机辅助设计、运动规划和机器人机构综合，更为具体地，涉及一种构型相关障碍域中闭链机构曲线连杆几何综合方法及系统，尤其适用于在已知闭链机构运动轨迹、铰接点位置和周围障碍体位姿变化规律的条件下，自动生成满足层间约束、间隙约束和实体截面约束的曲线连杆几何形状。

背景技术：

1、闭链多连杆机构凭借结构刚度高、运动输出精准、传动紧凑的技术特性，已成为仿生关节、假肢膝关节、康复外骨骼、工程机械执行机构、微创外科手术器械及紧凑型精密传动系统的核心承载与运动执行部件。机构运动学综合是闭链多连杆机构设计的核心环节，其核心目标是通过尺度综合、轨迹综合与姿态综合，确定机构铰接点空间坐标、各连杆理论长度、输入-输出运动映射关系，以及机构在全工作行程内的构型演化序列，为机构运动可行性提供理论依据。

2、在现有的闭链多连杆机构设计体系中，运动学综合仅能输出由抽象刚性杆件与理想转动副或移动副构成的拓扑模型，无法直接生成满足制造装配、空间避让、功能集成要求的实体连杆结构。并且，在紧凑型工程应用场景下，连杆实体几何设计面临严苛的空间约束，待设计连杆需避让仿生载体骨骼轮廓、机架结构、驱动曲柄、传动轴系、传感器模块、相邻连杆及其他功能部件，设计空间高度受限；更关键的是，在机构运行过程中，障碍体相对目标连杆的空间位姿随输入转角、输入位移及工作构型动态变化，形成构型相关动态障碍域，待设计连杆极易在全工作行程内的某一构型下与动态障碍体、相邻连杆发生运动干涉，直接导致机构卡滞、结构磨损或功能失效。

3、当前工程领域针对闭链多连杆实体几何的设计方法，普遍采用运动学综合前置、人工迭代修改后置的模式，即先完成机构运动学参数优化，再通过三维建模与干涉检查，由设计人员基于经验手动调整连杆轮廓、截面与折弯形态。然而，该模式存在显著技术缺陷，例如，当机构应用空间狭窄、障碍体呈非凸不规则形态、连杆层叠布置关系复杂，或多连杆存在运动顺序依赖时，人工调整需反复进行建模、仿真、干涉检测以及修改迭代，设计效率极低、方案可重复性差，并且难以保障全工作构型下连杆与障碍体间的安全间隙，无法满足高可靠性、紧凑型机构的设计要求。

4、从理论方法层面，现有技术手段无法适配闭链多连杆曲线连杆的自动化综合需求，例如，传统扫掠体方法仅能实现已知几何体在确定运动下的占据空间分析，无法反向生成满足动态避让要求的未知连杆几何；并且，常规运动规划方法以机器人单体或刚体构件的运动轨迹为规划对象，聚焦运动路径优化，而非针对闭链机构中随既定运动演化的连杆实体中心线、截面轮廓开展几何设计。本质上，现有技术针对的是运动确定、几何已知的干涉检测与轨迹规划问题，而本领域实际需求为运动既定、几何未知的曲线连杆自动化综合，二者问题本质、求解逻辑与技术路径存在根本性差异。

5、综上，现有设计方法与理论技术均无法实现闭链多连杆机构构型相关动态障碍下的连杆实体几何自动化生成，难以在不重构运动学参数的前提下，完成兼顾空间避让、制造可行性与全行程无干涉的曲线连杆设计，制约了紧凑型闭链多连杆机构在高端装备、仿生医疗、精密器械等领域的工程化落地与性能提升。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种构型相关障碍域中闭链机构曲线连杆几何综合方法及系统，以解决现有的设计方法与理论技术均无法实现闭链多连杆机构构型相关动态障碍下的连杆实体几何自动化生成的问题。

2、本发明提供的构型相关障碍域中闭链机构曲线连杆几何综合方法，包括：

3、获取闭链机构的运动记录，并根据所述运动记录建立目标连杆的局部坐标系；

4、通过障碍体相对于所述目标连杆的相对变换，将不同输入构型下的障碍体边界数据统一映射至所述局部坐标系，形成连杆局部扫掠障碍集合；

5、基于所述连杆局部扫掠障碍集合构造所述目标连杆的局部自由空间，并在所述局部自由空间内生成满足起始连接点、终止连接点以及装配布局约束的曲线中心线；

6、对所述曲线中心线进行修正，并基于修正后的曲线中心线生成所述目标连杆的实体几何模型。

7、此外，可选的方案是，所述运动记录包括在不同输入构型下的目标连杆的位姿、连接点位置、障碍体位姿以及障碍体边界数据；其中，所述输入构型基于表征所述闭链机构的工作状态的输入参数采样获得；和/或，

8、所述障碍体包括机构固定部件、机构运动部件、解剖结构表面、安装支撑件、驱动构件、铰轴预留区域、传感器安装区域、夹具结构以及已完成几何综合的连杆。

9、此外，可选的方案是，设输入构型为下的目标连杆的全局刚体变换为，障碍体的全局刚体变换为，则障碍体相对于目标连杆的相对变换为：

10、；其中，

i为目标连杆；

11、将不同输入构型下的障碍体边界数据统一映射至所述局部坐标系，形成连杆局部扫掠障碍集合的过程包括：

12、对障碍体的边界样本集合中的边界样本点，在输入构型采样集合中的每个输入构型下计算对应的相对变换；

13、将不同输入构型下得到的映射结果进行累积，得到障碍体在目标连杆局部坐标系中的扫掠边界样本集合；

14、对所有障碍体执行上述映射和累积操作，得到所述目标连杆对应的连杆局部扫掠障碍集合。

15、此外，可选的方案是，基于所述连杆局部扫掠障碍集合构造所述目标连杆的局部自由空间的过程包括：

16、自所述目标连杆的局部搜索空间中去除所述连杆局部扫掠障碍集合的障碍膨胀区域，以得到所述局部自由空间；其中，

17、目标连杆的局部自由空间表示为：

18、

19、其中，为目标连杆的局部搜索空间，为目标连杆的连杆局部扫掠障碍集合，为半径为的欧氏球，表示闵可夫斯基和，为目标连杆的规划避障尺度，\表示集合差运算，为障碍膨胀区域。

20、此外，可选的方案是，所述装配布局约束包括层间约束，所述层间约束用于限定所述目标连杆的曲线中心线所在的装配层区域；其中，

21、目标连杆的曲线中心线的装配层区域表示为：

22、

23、其中，x为目标连杆的局部坐标系中的任一空间点的位置向量，

e

z为装配堆叠方向单位向量，为

e

z的转置，为目标连杆的装配层中心位置，为目标连杆的装配层半宽。

24、此外，可选的方案是，在所述局部自由空间内生成满足起始连接点、终止连接点以及装配布局约束的曲线中心线的过程包括：

25、将所述目标连杆的起始连接点和终止连接点分别作为两棵搜索树的根节点，根据所述起始连接点和所述终止连接点构造受限采样区域，并按照预设概率在所述受限采样区域和所述局部搜索空间中生成随机样本；

26、自任意一棵搜索树向所述随机样本扩展得到新节点，并在所述新节点与其相邻节点之间的连线满足装配布局约束时加入对应搜索树；

27、驱动另一棵搜索树向所述新节点连接，当两棵搜索树连通时，提取由所述起始连接点至所述终止连接点的路径作为所述曲线中心线；其中，

28、所述受限采样区域表示为：

29、

30、其中，和分别为目标连杆的起始连接点和终止连接点，为路径长度上限参数。

31、此外，可选的方案是，当所述目标连杆具有必须经过的中间功能点时，

32、将所述曲线中心线分解为由所述起始连接点至所述中间功能点的第一子中心线以及由所述中间功能点至所述终止连接点的第二子中心线；

33、将所述第一子中心线和所述第二子中心线拼接形成所述曲线中心线。

34、此外，可选的方案是，对所述曲线中心线进行修正的过程包括：

35、对所述曲线中心线进行节点化处理，并在非固定节点处基于所述目标连杆的实体截面参数设置至少两个截面探针点；

36、计算各截面探针点在不同输入构型下与障碍体边界、预留区域之间的隔离距离；

37、当所述隔离距离小于预设激活距离时，生成使对应非固定节点远离最近障碍位置的避障修正量，并根据对应非固定节点与相邻节点之间的位置关系生成光顺修正量；

38、基于所述避障修正量和所述光顺修正量迭代更新对应非固定节点的位置，以实现对所述曲线中心线的修正。

39、此外，可选的方案是，所述截面探针点基于所述目标连杆的截面宽度方向、所述曲线中心线的局部切向方向以及所述目标连杆的截面厚度方向确定；其中，

40、设所述截面宽度方向为

b，所述局部切向方向为

t

j，所述截面厚度方向为

n

j，则：

41、

42、其中，表示向量叉乘，表示向量的模长；

43、非固定节点的位置按照如下公式迭代更新：

44、

45、其中，非固定节点，

t为迭代次数，为非固定节点在第

t次迭代时的位置，为非固定节点在第

t次迭代中的避障修正方向，为避障修正步长，为光顺权重，和分别为非固定节点的相邻节点在第

t次迭代时的位置。

46、另一方面，本发明还提供一种构型相关障碍域中闭链机构曲线连杆几何综合系统，包括局部坐标系构建模块、障碍集合形成模块、中心线生成模块以及中心线修正模块；其中，

47、所述局部坐标系构建模块用于获取闭链机构的运动记录，并根据所述运动记录建立目标连杆的局部坐标系；

48、所述障碍集合形成模块用于通过障碍体相对于所述目标连杆的相对变换，将不同输入构型下的障碍体边界数据统一映射至所述局部坐标系，形成连杆局部扫掠障碍集合；

49、所述中心线生成模块用于基于所述连杆局部扫掠障碍集合构造所述目标连杆的局部自由空间，并在所述局部自由空间内生成满足起始连接点、终止连接点以及装配布局约束的曲线中心线；

50、所述中心线修正模块用于对所述曲线中心线进行修正，并基于修正后的曲线中心线生成所述目标连杆的实体几何模型。

51、和现有技术相比，上述根据本发明提供的构型相关障碍域中闭链机构曲线连杆几何综合方法及系统，有如下有益效果：

52、通过障碍体相对于目标连杆的相对变换，将不同输入构型下的障碍体边界数据统一映射至局部坐标系，形成连杆局部扫掠障碍集合；基于连杆局部扫掠障碍集合构造目标连杆的局部自由空间，并在局部自由空间内生成满足起始连接点、终止连接点以及装配布局约束的曲线中心线；最后对曲线中心线进行修正，并基于修正后的曲线中心线生成目标连杆的实体几何模型相；该方案能够将闭链机构中随构型变化的动态障碍问题转换为目标连杆局部坐标系下的静态扫掠障碍问题，从而减少在中心线搜索过程中反复处理复杂全局动态干涉关系的计算负担。

53、为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出其具体特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。