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并联机器人汉字雕刻技术的研究

张世辉  
【摘要】:作为串联机器人的对偶机构,并联机器人具有刚度大、精度高、位置误差不累积等特点,已成为机器人领域的研究热点。目前,并联机器人在航空、航天、海底作业、制造领域、辅助医疗和微机电系统等方面有着广泛而重要的应用。 虽然在并联机器人的实际应用和理论研究中均已取得了大量的成果,但在并联机器人的机构学、运动学、动力学、运动控制、路径规划及实际应用方面仍存在一些挑战性的问题。为了充分发挥并联机器人的优点并扩大其应用范围,本文在河北省自然科学基金的资助下将并联机器人应用于汉字雕刻领域。为了使并联机器人实现汉字雕刻功能,作者对该过程中涉及到的汉字图像处理、雕刻刀路的规划与生成、运动学分析、动力学分析、雕刻力的计算及控制等理论和技术问题进行了深入的研究。 研究了将汉字图像信息转化为并联机器人雕刻刀路信息的通用方法,主要包括:归一化、边缘轮廓提取等汉字图像的预处理算法;基于改进的模板匹配的汉字图像细化算法;基于距离的汉字笔画抽取算法;平面凸、凹雕刻刀路的生成算法;平面刀路到球面等其它复杂曲面刀路的映射算法;刀具姿态实时规划方法等。在此基础上组建开发了包括软硬件在内的并联机器人汉字雕刻系统。 对并联雕刻机器人的运动学和动力学进行了分析和研究。求解了雕刻机器人的一、二阶影响系数矩阵,并基于影响系数矩阵对其角速度、线速度、角加速度、线加速度、力与力矩、惯性力等运动学和动力学性能指标进行了分析,根据所得的性能图谱可选择出各项性能指标都相对较好的机构尺寸。给出了基于自构型快速 BP网络的并联机器人位置正解通用方法并以雕刻机器人为例进行了分析。基于牛顿-欧拉方法建立了雕刻机器人的动力学模型,并利用该模型进行了动力学实验分析。 对雕刻力及其控制技术进行了研究。对影响雕刻力的因素进行了分析,给出了雕刻力的计算方法,特别研究了常用的宋体、黑体、隶书和楷体四种不同字体对雕刻力的影响。提出了基于模糊神经网络的雕刻力控制方法,并与传统的阻抗控制技术进行了比较,实验结果验证了该方法的有效性和可行性。 设计了基于 B/S 模式的并联机器人远程汉字雕刻系统的总体结构方案。对其中的视频信息实时传输、远程雕刻信息的提交和解析、任务控制等技术进行了研究和实现。


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