小型移动机器人抛光路径规划与仿真的研究外文翻译资料

小型移动机器人抛光路径规划与仿真的研究

摘要：使用小型移动机器人来抛光一个大规模的自由曲面是模具制造领域的一个新的想法。然而随着该创新概念的应用，由于模具复杂的自由曲面，机器人的路径规划成为一个不可避免的却困难的工作。根据实际尺寸设计的小型移动机器人路径规划方法,提出了基于方向平行的算法。此外,机器人抛光沿规划路径的模拟是利用OpenGL实现自由曲面的图形工具来验证该方法。仿真结果清楚地显示了机器人的抛光的情况，也为以后的实验提供有用的数据。

索引词——模具抛光;路径规划;仿真

1.介绍

工作空间方面的限制，它仅适用于小表面。然而，上述三种方法中的共同缺点是它们都能够抛光小模具，但是在使用抛光大型模具方面受到限制。通过使用这些方法，抛光设备的尺寸将随着模具的尺寸增加而加倍。然而，新的抛光概念的模具制造的抛光过程是非常重要的,因为它影响最终的产品质量。金属模具铣后的后整理工序通常是手工抛光。这个过程需要采用特殊的工艺技术和花费大量的时间,从而导致模具成本的提高。因此对每一个过程的更加高效提出了迫切的要求。提出了一些新的方法来解决这个问题，如大面积电子束抛光方法，这是一个高效率的金属模具抛光过程。还有磁性抛光技术适用于模具制造，这使得立体模具的抛光自动化很容易。具有抛光工具的精加工机器人手臂部分地用于该过程。然而，由于机器人手臂在灵巧性和应用打破了该限制，该抛光概念使用小型移动机器人作为抛光工具来制造大规模自由形状模具。通过采用这种新概念，在抛光过程中机器人被驱动沿着覆盖整个自由表面的计划路径移动，这不仅带来了设备成本的降低，而且提高了抛光大型模具的能力。机器人抛光系统的结构如图1所示。 其工作程序如下：首先，给出目标点，并且驱动机器人沿着由计算机计算的路径移动。 其次，当机器人朝向目标点移动时，可以通过位于固定器上的相机收集机器人的位置。 第三，当机器人靠近目标点时，通过比较目标点和机器人的当前位置直到达到目标点，来实现精细调整。

为了有效地执行抛光过程，计划合理的路径是非常重要的。 到目前为止各种CNC加工商业软件已经提供了路径规划的功能。 但是这些软件中存在的局限性使得它们不能直接用于规划小型移动抛光机器人的抛光路径。 因此，需要根据小型可动抛光机器人和模具的结构来规划工具路径。

图.1 抛光系统的结构

众所周知，OpenGL被认为是开发便携式和交互式2D / 3D图形应用程序的首选环境。自从1992年推出以来，OpenGL已经在工业中广泛应用。OpenGL可以支持2D和3D图形应用程序编程接口的特性使得它可以应用于各种各样的计算机平台。任何需要最大性能的视觉计算应用程序（从3D动画到CAD到视觉模拟）都可以利用高质量，高性能的OpenGL功能。基于这些能力，在本文中使用它来计划作为图形工具的抛光机器人的路径。考虑到模具和设计的机器人都具有复杂的结构，当规划小型移动机器人的路径时，采用易于读取和操作的STL文件格式，以使得处理更快速和更灵活。

在这项工作中，重点放在路径规划和抛光模拟，通过结合OpenGL在图形中的良好性能，STL文件的高效率以及C 编程的优势。分析结果将为后面的实验提供逻辑路径和良好的机器人姿态。

2.建立OpenGL模拟环境

为了在C 框架下正确且合理地显示STL文件中描述的实体，应在Windows中进行一些初始设置。

首先，应该设置像素的格式。所选择的格式应该支持OpenGL和双重缓冲，并且应该与由RGBA表示的位兼容。其次，应该建立渲染上下文。每个OpenGL程序都链接到一个渲染上下文。渲染上下文是将OpenGL调用到设备上下文的链接。OpenGL呈现上下文（RC）被定义为hRC。为了用程序绘制一个窗口，应该创建一个设备上下文。 Windows设备上下文（DC）定义为hDC。DC将窗口连接到GDI（图形设备接口）。RC将OpenGL连接至DC。第三，将在程序中使用的变量需要设置。 投影矩阵的功能是为场景添加一个透视图。 模型视图矩阵是存储对象信息的地方。最后，程序退出。正确地终止OpenGL窗口，以便释放所有内容，并退出程序。

使用上面创建的框架，原先计划在屏幕上显示的东西都会消失。然后，为了以三维形式显示图形，需要定义诸如光，颜色以及材料的属性。

3.阅读3D固体模型

STL文件格式，这是由1988年在美国成立的3D系统公司作为一个接口协议，被广泛地应用于快速原型，它是最被接受的标准CAD系统之间的数据交换和快速原型系统(RPS)。无论国内还是国外最多的RPS采用STL文件作为输入。在该文件中，小型移动机器人的3D模型和自由形式模具模型存储在STL文件。 在读取并在屏幕上显示之前，需要分析STL文件格式的结构。 STL文件包含很多三角形的表面。每个三角形表面的定义包括三个顶点的坐标和三角形表面的法向量。定义如下：

为了在OpenGL中正确显示STL文件，模型应以特殊数据格式保存，并通过调用函数glBegin和参数GL TRIANGLES显示。数据格式定义如下：

图.2 机器人的结构

4.机器人仿真路径

4.1模型分析和工作路径的生成

机器人的结构如图2所示。前轮和后轮设计为驱动轮，左右轮设计为被动轮。 机器人的支撑盘直径lt;P 300mm。可选择不同直径的弹性抛光工具，如lt;P 70mm，lt;P 60mm和lt;P 50mm，并安装在主轴端部。然而，由于机器人的尺寸，不能抛光表面的任何地方。例如，靠近模具的表面边界约150mm的区域不能被覆盖。同时，抛光工具的直径应设计成使抛光路径彼此干涉。然后，基于方向并行的算法，当机器人在模型的表面上抛光时产生机器人的路径。

4.2机器人坐标平面和自由曲面模具之间的位置关系

当机器人沿着路径移动时，其参考框架附接到工作路径的切平面，其与模具的坐标平面具有角度参考。由于路径由表面上的许多点组成，我们假设连接两个相邻路径点的线的方向为机器人平面的方向，因此切线和模具平面之间的角度为俯仰角 而机器人正在移动。为了演示机器人在模具上工作时的真实过程，应当根据路径上的点的信息和机器人的协调来在线调整桨距角。

4.3坐标变换

机器人和模具之间的位置关系如图3所示。带下标A的坐标系是模具坐标系，带下标B的坐标系是机器人的坐标系。OAXAYAZA坐标和OBXBYBZB坐标之间的映射通过4_4变换矩阵T来实现，该矩阵由两部分组成：平移矩阵TT和旋转矩阵TR（T = TTTR）。

旋转矩阵TR包括一系列变换：首先，围绕模具坐标系的XA轴旋转角度psi;，然后围绕模具坐标系的YA轴旋转角度theta;，最后旋转关于模具坐标系的ZA轴的角度phi;模具坐标系，表示为：

其中c表示余弦，s表示正弦。

图3中的框架XBYBZB。可以通过依次绕框架XAYAZA的XA轴，YA轴和ZA轴旋转一定角度来实现图3所示的方法。机器人坐标系OB和模具坐标系OA之间的关系由方向余弦矩阵ABR表示，如（3）所示。

图.3 机器人和模具的框架

我们定义矢量OBXB的方向沿着连接A0和A1的线的方向，如

其中

向量OBYB被定义为

然后

方向余弦矩阵BAR被定义为参考机器人坐标系OB的模具坐标基准OA

方向余弦矩阵BAR是一个正交矩阵，我们得到对比（3）和（7）

现在将（4）（6）代入（8）

对比（2）和（9），我们得到

4.4模拟

根据上面介绍的坐标变换，可以清楚地显示抛光期间机器人的姿态。然而，它只是在整个过程的模拟中的一小部分。方向并行的算法用于当前工作中的路径规划。由于模具由一系列自由曲面构成，其曲率不均匀分布，这导致在STL文件中安装的不同三角形表面之间的大尺寸差异。相应地，从用于相交计算的算法获得的交叉点之间的距离也不同。如果直接使用交叉点而没有任何变化，则不稳定性和不连续性的特征将出现在机器人仿真中。基于上述分析，有必要管理这些点。在本文中使用插值方法，在先前获得的点之间插入适当的点。通过这种方法，两点之间的距离变得相等，因此可以实现机器人的平滑移动，同时实现了真实抛光过程的近似。图4（a）表示出了抛光过程的模拟，而（b）示出了机器人在模具上的实际抛光过程。

图.4（a）抛光过程的路径规划和仿真

图.4（b）机器人在模具上的实际抛光过程

5.结论

在这项工作中，提出了小规模自由曲面上沿着规划路径的小型移动机器人的仿真。首先，通过使用OpenGL作为图形工具，在C 的框架下设置仿真环境。其次，基于所设计的小型机器人的结构，在模具的自由曲面的抛光路径规划中使用了方向平行的算法。同时，插值方法用于在先前从相交计算获得的离散点之间插入一系列点。通过该方法，相邻两点之间的距离变得相等，因此，可以实现机器人的平滑移动。第三，建立机器人坐标和模具坐标之间的关系，这使得可以显示机器人的抛光姿态。从仿真中获得的机器人的计划路径和姿态将用于进一步的真实抛光实验中用于机器人姿态的调整。

然而，本文提出的抛光模拟是基于一切都在理想状态的假设。 与真实抛光工艺相比，两个刚性轮作为驱动器和两个柔性轮作为辅助支撑的移动机器人的特定结构以及弹性抛光工具位于这两对轮的中心， 使得在模拟中在表面上工作时难以找到四个轮的确切信息。 此外，自由曲面的复杂性也增加了模拟的难度。 进一步的研究工作将集中在真正的抛光过程的精确模拟。

鸣谢单位

本文所述工作由中国国家自然科学基金（拨款号：50575092）主办，中国国家高技术研究发展计划（“863”计划）（批准号：2006AA04Z214）赞助。

基于工作空间分析的抛光机器人结构优化

中国北京航空航天大学机械工程与自动化学院

李东景，王伟，王其龙，郝达献

摘要：

为了提高生产效率和解决抛光制造中技术工人的潜在短缺，提出了一种新型多工位旋转抛光机器人。 详细讨论了机器人结构，通过D-H参数方法分析了该机器人的运动学和逆运动学。 该机器人工作空间的X，Y和Z方向的最大值和最小值是基于遗传算法计算的。 为了减小机器人结构的尺寸和机器人的成本，在满足指定的工件抛光要求的前提下，使用相关参数将机器人工作空间减半。 最后，选择考虑各种实际因素的一组合理的优化参数。 使用这些参数通过蒙特卡罗方法分析机器人工作空间。 验证后，机器人使用这套参数可以满足实际处理的要求。

关键词：抛光机器人; 遗传算法（ga）; 蒙特卡罗法; 工作空间分析; 结构优化

1. 介绍

抛光是后精加工工艺的非常重要的手段。现有的抛光工艺主要应用于外圆，内圆和简单几何形状零件的平面，但常规抛光对于具有复杂表面加工的工件是无能为力的。这些复杂的表面工件抛光只有通过手工操作

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