一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法

1.本发明属于三维可视化设计技术领域，具体涉及一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法。


背景技术：

2.并联机器人在工业领域已有广泛应用，其拓扑结构很大程度上影响了并联机器人的性能，在并联机器人拓扑结构的设计过程中，对拓扑构型进行三维可视化可以帮助研究人员直观的了解机构的运动特性，提前解决机器人在设计制造和运行方面的问题，能大幅降低研究成本，对机器人的研究提供便利性。
3.目前，并联机构拓扑的三维可视化缺少相关成熟的仿真软件，拓扑结构的可视化构建依赖商业计算机辅助建模分析软件，多是在solidworks、pro/e等软件的基础上进行二次开发，无法满足对于机器人研究的大量需求，当前并联机构拓扑的三维可视化过程存在以下不足：
4.其一、由于并联机构复杂的关节轴线几何关系，构件形态多变不具备通用性，传统的并联机构可视化设计需要对各构件逐个建模，建模过程包含大量重复性工作，影响并联机器人设计周期，大大增加了时间成本，如中国专利cn112580167a所述stewart机构的构建需要借助solidworks软件绘制三维模型，操作繁琐。
5.其二、自动化程度不高需要专业人员参与，但由于并联机构理论知识复杂，要求设计人员丰富的设计经验及大量的专业知识积累，效率低下且易于出错，如中国专利114638072a所述构建并联机构需先通过闭环矢量法建立目标机构的运动学模型，设计难度大。
6.其三、并联机构拓扑可视化设计依赖cad/cae商用软件，存在拓展性不足且交互性差的问题。
7.其四、以面向构建虚拟样机、仿真为主，无法感知拓扑结构，缺乏机构的合理性判断机制。
8.综上所述，现有的并联机构拓扑可视化方法无法满足上述应用领域的要求。


技术实现要素：

9.本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法。
10.本发明的技术方案是：一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，包括以下步骤：
11.ⅰ
.搭建三维仿真环境；
12.ⅱ
.基于三维仿真环境，创建构件库；
13.ⅲ
.将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达；
14.ⅳ
.建立拓扑与约束的转换关系；
15.ⅴ
.在三维仿真环境中建立并联机构；
16.ⅵ
.对拓扑结构进行约束正确性检测；
17.ⅶ
.进行有效的并联机构三维显示；
18.ⅷ
.完成并联机构拓扑三维可视化设计。
19.步骤
ⅰ
搭建三维仿真环境，具体过程如下：
20.首先，搭建三维仿真环境
21.三维仿真环境指利用计算机技术生成的具有实时模型渲染功能及建立刚体约束的虚拟环境，用户可以通过内部api接口进行模型的创建、修改、删除操作；
22.然后，调用三维仿真环境内的刚体约束函数；
23.刚体约束函数指三维仿真环境中可对刚体模型间添加运动限制的内置函数；
24.最后，对刚体约束函数进行扩展封装为运动副装配函数；
25.刚体约束函数参数不易获取，将刚体约束函数进行拓展封装为以通用轴线为参数，便于使用的运动副装配函数。
26.步骤
ⅱ
基于三维仿真环境，创建构件库，具体过程如下：
27.首先，确定并联机构基本组成构件，将基本组成构件逐个保存为三维模型库，基本组成构件至少包括动静平台、连接杆件和连接关节；
28.然后，分别以半径不同的一系列圆盘形几何体建立静平台构件库和动平台构件库；
29.再后，以长度不同的一系列截面为正方形的杆状几何体建立连接杆件构件库；
30.再后，以尺寸与连接杆件适配的圆柱形转轴建立转动副(r副)构件库；
31.再后，以尺寸与连接杆件适配的长方体滑块建立移动副(p副)构件库；
32.最后，以尺寸与连接杆件适配的球形连接关节建立虎克铰(u副)构件库和球铰(s副)构件库。
33.步骤
ⅱ
基于三维仿真环境，创建构件库，还包括建立构件库中基本组成构件的参考坐标系，具体过程如下：
34.首先，为构件库中的各类型构建定义基本参考坐标系，包括动静平台、连接杆件和连接关节，静平台和动平台以圆形截面作o-xy面，截面法向作o-z轴，静平台和动平台几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；
35.然后，连接杆件以正方形截面作o-xy面，沿杆长方向作o-z轴，连接杆件几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；
36.再后，圆柱形转动副关节以自身轴线作为关节轴线方向；
37.最后，长方体移动副滑块以自身轴线作为关节轴线方向。
38.步骤
ⅲ
将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达，具体过程如下：
39.首先，对矩阵对角线元素进行定义，将矩阵对角线元素中的0、1、2、3依次定义为转动副(r副)、移动副(p副)、虎克铰(u副)和球铰(s副)；
40.然后，对矩阵非对角线元素进行定义，将矩阵非对角线元素中的1、2、3、4、5、6依次定义为平行、垂直、正交、共线、相交、异面的相对位置关系；
41.再后，将并联机构拓扑以矩阵形式进行数字化表达，可清晰、完整地描述并联机构的拓扑结构；
42.最后，得到并联机构拓扑的矩阵形式表达。
43.步骤
ⅳ
建立拓扑与约束的转换关系，具体过程如下：
44.首先，考虑相邻两杆件的运动副组合类型与运动副轴线间位置关系；
45.然后，得出矩阵元素与约束参数间的映射关系；
46.最后，将矩阵中的元素通过映射关系转换为建立约束所需的约束参数。
47.步骤
ⅴ
在三维仿真环境中建立并联机构，具体过程如下：
48.首先，在三维仿真环境中添加静平台与动平台；
49.然后，向仿真环境中添加第一个与静平台相装配的连接杆件与连接关节；
50.再后，根据矩阵中提取的矩阵元素，以及矩阵元素与约束参数间的映射关系得到约束参数；
51.再后，依据约束参数建立连接杆件与静平台两构件间的约束连接；
52.再后，根据提取的矩阵元素进行连接杆件的装配，直到与动平台建立约束连接，并联机构的一条支链生成完毕；
53.最后，重复以上过程进行其余支链的建立。
54.步骤
ⅵ
拓扑结构的约束正确性检测，包括尺度正确性检测和拓扑正确性检测。
55.步骤
ⅵ
拓扑结构的约束正确性检测中尺度正确性检测，具体过程如下：
56.首先，在添加连接杆件建立约束的过程中，在两连接杆件的连接点处分别记录两个连接标志点；
57.然后，建立约束时这一对连接标志点重合，在并联机构建立完成后提取每对约束的标志点的位置；
58.再后，检测以上每对标志点是否分离；
59.最后，若标志点出现分离，则说明连接杆件之间出现了断点，则该并联机构尺度不正确；反之若标志点重合未出现分离，则该并联机构尺度正确，实现尺度的正确性检测。
60.本发明的有益效果如下：
61.本发明无需依赖现有商业软件可拓展性强，可对并联机构进行拖拽操作，具有良好的交互性，可直观地检查所设计构型是否合理，机构杆件可通过参数化保存，将杆件间复杂轴线几何关系以常见空间方位描述，对一般机构具有适用性；满足自动化程度高，整个可视化过程由系统独立完成无需专业人员指导，可以有效降低并联机构设计难度、缩短并联机构设计周期、减少并联机器人开发成本。
附图说明
62.图1为本发明的框架示意图；
63.图2为本发明中杆件自身参考坐标系；
64.图3为本发明中矩阵元素与约束参数对应图；
65.图4为本发明中r副轴线切向布置的prs支链；
66.图5为本发明中r副轴线径向布置的prs支链；
67.图6为本发明中约束正确性检测流程图；
68.图7为本发明中通过拓扑正确性检测算法检测到prs支链轴线偏移出现拓扑不正确；
69.图8为本发明中通过约束正确性检测的3-prs并联机构。
具体实施方式
70.以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
71.如图1至图8所示，一种并联机构拓扑的自动可视化设计方法，包括以下步骤：
72.ⅰ
.搭建三维仿真环境；
73.ⅱ
.基于三维仿真环境，创建构件库；
74.ⅲ
.将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达；
75.ⅳ
.建立拓扑与约束的转换关系；
76.ⅴ
.在三维仿真环境中建立并联机构；
77.ⅵ
.对拓扑结构进行约束正确性检测；
78.ⅶ
.进行有效的并联机构三维显示；
79.ⅷ
.完成并联机构拓扑三维可视化设计。
80.步骤
ⅰ
搭建三维仿真环境，具体过程如下：
81.首先，搭建三维仿真环境
82.三维仿真环境指利用计算机技术生成的具有实时模型渲染功能及建立刚体约束的虚拟环境，用户可以通过内部api接口进行模型的创建、修改、删除操作；
83.然后，调用三维仿真环境内的刚体约束函数；
84.刚体约束函数指三维仿真环境中可对刚体模型间添加运动限制的内置函数；
85.最后，对刚体约束函数进行扩展封装为运动副装配函数；
86.刚体约束函数参数不易获取，将刚体约束函数进行拓展封装为以通用轴线为参数，便于使用的运动副装配函数。
87.运动副装配函数能在三维仿真环境模拟运动副实体的运动约束功能，便于后续建立机构模型。
88.步骤
ⅱ
基于三维仿真环境，创建构件库，具体过程如下：
89.首先，确定并联机构基本组成构件，将基本组成构件逐个保存为三维模型库，基本组成构件至少包括动静平台、连接杆件和连接关节；
90.然后，分别以半径不同的一系列圆盘形几何体建立静平台构件库和动平台构件库；
91.再后，以长度不同的一系列截面为正方形的杆状几何体建立连接杆件构件库；
92.再后，以尺寸与连接杆件适配的圆柱形转轴建立转动副(r副)构件库；
93.再后，以尺寸与连接杆件适配的长方体滑块建立移动副(p副)构件库；
94.最后，以尺寸与连接杆件适配的球形连接关节建立虎克铰(u副)构件库和球铰(s副)构件库。
95.步骤
ⅱ
基于三维仿真环境，创建构件库，还包括建立构件库中基本组成构件的参考坐标系，具体过程如下：
96.首先，为构件库中的各类型构建定义基本参考坐标系，包括动静平台、连接杆件和连接关节，静平台和动平台以圆形截面作o-xy面，截面法向作o-z轴，静平台和动平台几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；
97.然后，连接杆件以正方形截面作o-xy面，沿杆长方向作o-z轴，连接杆件几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；
98.再后，圆柱形转动副关节以自身轴线作为关节轴线方向；
99.最后，长方体移动副滑块以自身轴线作为关节轴线方向。
100.步骤
ⅲ
将待可视化的并联机构拓扑以矩阵表达，具体过程如下：
101.首先，对矩阵对角线元素进行定义，将矩阵对角线元素中的0、1、2、3依次定义为转动副(r副)、移动副(p副)、虎克铰(u副)和球铰(s副)；
102.然后，对矩阵非对角线元素进行定义，将矩阵非对角线元素中的1、2、3、4、5、6依次定义为平行、垂直、正交、共线、相交、异面的相对位置关系；
103.再后，将并联机构拓扑以矩阵形式进行数字化表达，可清晰、完整地描述并联机构的拓扑结构；
104.最后，得到并联机构拓扑的矩阵形式表达。
105.步骤
ⅳ
建立拓扑与约束的转换关系，具体过程如下：
106.首先，考虑相邻两杆件的运动副组合类型与运动副轴线间位置关系；
107.然后，得出矩阵元素与约束参数间的映射关系；
108.最后，将矩阵中的元素通过映射关系转换为建立约束所需的约束参数。
109.步骤
ⅴ
在三维仿真环境中建立并联机构，具体过程如下：
110.首先，在三维仿真环境中添加静平台与动平台；
111.然后，向仿真环境中添加第一个与静平台相装配的连接杆件与连接关节；
112.再后，根据矩阵中提取的矩阵元素，以及矩阵元素与约束参数间的映射关系得到约束参数；
113.再后，依据约束参数建立连接杆件与静平台两构件间的约束连接；
114.再后，根据提取的矩阵元素进行连接杆件的装配，直到与动平台建立约束连接，并联机构的一条支链生成完毕；
115.最后，重复以上过程进行其余支链的建立。
116.步骤
ⅵ
拓扑结构的约束正确性检测，包括尺度正确性检测和拓扑正确性检测。
117.步骤
ⅵ
拓扑结构的约束正确性检测中尺度正确性检测，具体过程如下：
118.首先，在添加连接杆件建立约束的过程中，在两连接杆件的连接点处分别记录两个连接标志点；
119.然后，建立约束时这一对连接标志点重合，在并联机构建立完成后提取每对约束的标志点的位置；
120.再后，检测以上每对标志点是否分离；
121.最后，若标志点出现分离，则说明连接杆件之间出现了断点，则该并联机构尺度不正确；反之若标志点重合未出现分离，则该并联机构尺度正确，实现尺度的正确性检测。
122.具体的，步骤
ⅵ
拓扑结构的约束正确性检测中拓扑正确性检测，具体过程如下：
123.首先，在添加连接杆件建立约束的过程中，在约束之间设置一对标志轴线；
124.然后，在并联机构建立完成后提取每对约束的标志轴线的位置和方向；
125.最后，在并联机构建立完成后提取标志轴线的角度差来检测是否发生轴线的偏移，实现拓扑的正确性检测。
126.若每对标志轴线的方向应始终重合则并联机构未出现拓扑不正确，但若检测到两标志轴线间出现一定偏移则并联机构拓扑不正确。
127.具体的，步骤
ⅴ
在三维仿真环境中建立并联机构中，如果目标并联机构为对称并联机构，复制首先建立的支链，并根据支链数目将该支链在动静平台上进行均布，即可建立并联机构。
128.本发明经步骤
ⅰ
和步骤
ⅱ
搭建仿真环境与构件库，将待可视化的并联机构通过步骤
ⅲ
所述矩阵表达，经步骤
ⅳ
将矩阵元素转换为约束参数，当步骤
ⅳ
中由邻接矩阵得到多组约束轴线方位时，对每组结果经过步骤
ⅴ
分别建立并联机构，进而执行约束正确性检测，舍弃拓扑尺度不正确的并联机构，筛选出正确的目标并联机构三维模型。
129.又一实施例
130.如图1所示，以基于three.js的3-prs并联机构拓扑可视化作为实例说明，包括以下步骤：
131.ⅰ
.搭建三维仿真环境
132.所述三维仿真环境指利用计算机技术生成的具有实时模型渲染功能及建立模型约束的虚拟环境，用户可以通过内部api接口进行模型的创建、修改、删除操作，所述约束指三维仿真环境中的内置函数，对其调用可对仿真环境中的模型进行运动限制，模拟运动副实体的运动约束功能。在此以应用于web端的three.js三维仿真环境作为虚拟场景。
133.ⅱ
.创建构件库
134.所述构件库为包含并联机构基本组成构件的三维模型库，包括不同尺寸的基本静平台、连接杆件、运动副关节和动平台。
135.所述基本静平台和动平台在组成构件库中以半径不同的一系列圆盘形几何体表达；所述连接杆件在组成构件库中以长度不同的一系列截面为正方形的杆状几何体表达；所述运动副关节包括转动副(r副)、移动副(p副)、虎克铰(u副)和球铰(s副)，在组成构件库中分别以尺寸与连接杆件适配的圆柱形转轴、长方体滑块和球形连接关节表达；所述构件库所包含的基本静平台和动平台及连接杆件应有自身的参考坐标系o-xyz：基本静平台和动平台以圆形截面作o-xy面，截面法向作o-z轴，构件几何中心作坐标系原点建立参考坐标系。
136.如图2所示，连接杆件以正方形截面作o-xy面，沿杆长方向作o-z轴，构件几何中心作坐标系原点建立参考坐标系；所述构件库所包含的运动副关节应有自身的关节轴线方向：圆柱形转动副关节以自身轴线作为关节轴线方向，长方体移动副滑块以自身轴线作为关节轴线方向。
137.ⅲ
.将待可视化的拓扑以矩阵形式表达
138.所述矩阵为并联机构拓扑的一种常用的表达方式，描述了并联机构支链上各运动副类型顺序及运动副间的位置关系。
139.矩阵对角线元素以0、1、2、3表示转动副(r副)、移动副(p副)、虎克铰(u副)和球铰(s副)，非对角线元素表达对应运动副轴线间位置关系。
140.以数字1-数字6表示平行、垂直、正交、共线、相交、异面6种关系；将并联机构拓扑以矩阵形式数字化表达可清晰、完整地描述并联机构的拓扑结构，同时便于计算机的存储与分析，是后续自动可视化并联机构拓扑的必要条件。
141.3-prs并联机构的矩阵表达为：
[0142][0143]
对角线元素以1、0、3表示移动副(p副)、转动副(r副)和球铰(s副)，非对角线元素2和0表达对应运动副轴线间垂直和平行的位置关系。
[0144]
ⅳ
.建立拓扑与约束的转换关系，由矩阵元素得到建立约束所需的约束参数；步骤
ⅲ
中将拓扑以矩阵形式表达，由于并联机构中构件的方位要素较多且难，因此要对矩阵元素中的拓扑信息进行提取转换为步骤
ⅰ
中three.js环境建立约束所需的参数，具体的转换方法为：
[0145]
考虑相邻两杆件的运动副组合类型与运动副轴线间位置关系，建立杆件间的约束需要对应的约束类型及约束轴线方位，约束类型包括当前关节类型和上一个关节类型，将其表示为运动副类型的组合。
[0146]
prs支链包含两个运动副组合：pr与rs两种组合，这里只需区分r副与p副，因为s副与u副对应的约束建立时不需要复杂的轴线关系，s副只需在杆件末端添加球铰约束，u副在s副的基础上减去一个绕杆件的转动自由度，不需考虑对应轴线关系即可正确的添加约束。
[0147]
所述约束轴线方位指以杆根据杆件自身坐标系为参考的x、y、z三个坐标轴方向之一。
[0148]
如图3所示，其在每个约束中成对出现，是建立约束的直接条件，通过邻接矩阵非对角线元素表示的运动副间位置关系与约束类型判断得来，判断规则如图3，图中轴线1和轴线2分别表示约束的前后杆件的运动副轴线方位，“/”表示该约束类型下的运动副间位置关系不正确或不存在实际意义，“同
××”
表示该运动副间位置关系时的约束轴线方位与
××
时的约束轴线方位相同，“同/垂直r1轴线”表示约束轴线与前一个r运动副的轴线相同或者垂直，通过上述步骤1表1判断出pr运动副组合对应的约束轴线组合为轴线1：x/y,轴线2：x。
[0149]
由此，总结出矩阵元素与约束参数间的映射关系，便可据此将矩阵中的元素转换为建立约束所需的约束参数。
[0150]
ⅴ
.在三维仿真环境中建立并联机构
[0151]
在步骤
ⅰ
搭建的three.js场景中添加基础静平台与动平台，随后向静平台添加杆件并依据约束参数建立杆件与静平台的约束连接，即从步骤
ⅲ
矩阵中提取矩阵元素，并根据步骤
ⅳ
中的矩阵元素与约束参数间的映射关系得到约束参数，根据所提取约束信息进行杆件的装配，直到与动平台建立约束连接，并联机构的一条支链生成完毕，据此依次建立并联机构的其余支链，如目标并联机构为对称并联机构，复制该支链，并根据支链数目将该支链在动静平台上进行均布，即可建立并联机构。
[0152]
需要说明的是，通过邻接矩阵中相邻关节位置关系判断出的结果在部分情况下不具唯一性，因为一些位置关系存在对应着多种约束轴线方位的可能。
[0153]
以prs支链为例，第一个p副关节轴线垂直于静平台，当两运动副间关系为垂直时，并不能够明确的说明其相邻轴线方位，对于第二个r副要保持与p副关节轴线的垂直关系，其轴线可沿静平台的切向或径向布置，切向布置属于常见的prs支链如图4，约束轴线组合
为轴线1：x，轴线2：x，可对其补全为正确的对称并联机构，但是对于第二种径向布置方式如图5，约束轴线组合为轴线1：y，轴线2：x，动平台受约束影响无法正确地补全为对称并联机构，这种情况是判断出的约束轴线关系错误导致的拓扑不正确。
[0154]
除此之外，在建立并联机构时暂将杆长设为了定值，在一些情况下也会出现由于杆件过长或者过短，会导致在添加多根支链时出现杆件无法建立约束连接的错误，这种情况是因为杆件长度不合适导致的尺度不正确，因此在根据上述规则建立并联机构之后要对其进行约束的拓扑与尺度正确性检测。
[0155]
ⅵ
约束正确性检测
[0156]
如图6所示，约束正确性检测流程图，首先对并联机构三维模型进行尺度正确性检测，若系统检测到存在尺度不正确的情况出现，通过尺度调整算法对杆件尺度进行调整至合适范围；随后对其进行拓扑正确性检测，若系统检测到该并联机构存在拓扑不正确的情况出现，则舍弃该轴线组合并依据步骤
ⅳ
中转换得到的其余约束参数组合重新建立并联机构模型并执行拓扑与尺度正确性检测，反之若未检测到拓扑不正确且并联机构尺度合适，则获取到正确的并联机构三维显示。
[0157]
所述尺度正确性检测指嵌入系统后台的尺度正确性检测算法，具体实现方法为：在添加杆件建立约束的过程中，在两杆件的连接点处分别记录两个连接标志点，建立约束时这一对连接标志点重合，在并联机构建立完成后提取每对约束的标志点的位置，并检测两标志点是否分离，即可实现尺度的正确性检测，若并联机构未出现尺度不正确则该标志点应始终重合，但若发生了尺度不正确则两标志点间会出现一定位移；
[0158]
所述拓扑正确性检测与尺度正确性检测相似，指嵌入系统后台的拓扑正确性检测算法，在建立约束时设置一对标志轴线，在并联机构建立完成后提取标志轴线的角度差来检测是否发生轴线的偏移。
[0159]
该3-prs并联机构可视化实例中，经过步骤
ⅴ
系统建立两种轴线分布不同的并联机构：分别为r关节轴线径向布置和r关节轴线切向布置，首先检测r关节轴线径向布置的情况，未检测到杆件连接处断开现象，各杆件尺度合适；随后对其进行拓扑正确性检测。
[0160]
如图7所示，检测到r副轴线径向布置的组合出现轴线偏移，则舍弃该轴线组合，对下一轴线组合r关节轴线切向布置的情况进行检测，重新执行步骤
ⅴ
建立并联机构模型，进行拓扑与尺度正确性检测。
[0161]
如图8所示，此时未检测到拓扑不正确且并联机构尺度合适，则获取到正确的并联机构三维显示。
[0162]
本发明无需依赖现有商业软件可拓展性强，可对并联机构进行拖拽操作，具有良好的交互性，可直观地检查所设计构型是否合理，机构杆件可通过参数化保存，将杆件间复杂轴线几何关系以常见空间方位描述，对一般机构具有适用性；满足自动化程度高，整个可视化过程由系统独立完成无需专业人员指导，可以有效降低并联机构设计难度、缩短并联机构设计周期、减少并联机器人开发成本。