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串行机构的工作空间三维建模研究

陈广文  
【摘要】:机构的工作空间是机构伸缩,旋转,扭转等机构所能达到的空间范围,它的大小和形状反映了机构的工作能力。工作空间的研究不仅有助于评价机构运动学上的工作性能,也是衡量机构设计合理性的重要指标,对其设计、控制和应用等都具有重要的意义。对串行机构工作空间的分析是分析复杂机构的基础。构建串行机构的工作空间的三维模型,对机构的工作空间分析有着极大帮助,能够帮助我们准确形象地计算并可视化出串行机构的工作空间,缩短机构设计的时间。 本文创新提出了一个串行机构特征识别算法,建立了其工作空间三维生成方法,并对其数据结构,实现方法进行了分析。主要内容包括以下几个方面: (1)介绍了串行机构工作空间的研究意义和目的,分析了工作空间,三维建模的研究现状和方法,确定了研究目标和研究内容。 (2) ACIS、HOOPS和InterOp技术平台。详细分析研究了ACIS内核的图形数据的拓扑结构,拓扑对象的类型特点,HOOPS图型渲染机制以及InterOp数据转换原理架构。 (3)串行机构特征识别算法。根据机构关节轴的特征,提出了一种基于点线式数学表达方法实现对关节的特征描述,并详细给出了关节表达方程的构造过程;接着实现对机构关节的特征识别。 (4)根据D-H方法建立了串行机构的运动坐标系,然后根据机构坐标系模型,再得到各个关节之间的变换矩阵,从而得到串行机构的运动学方程。通过运动学方程,实现计算出机构空间的范围。 (5)根据NURBS曲面的定义与计算公式,详细分析了NURBS曲面的构造过程,包括曲线的拟合以及蒙皮的操作。NURBS曲面的构造方法为串行机构的运动范围的点集合生成平滑精确的图形提供了良好的支持。 (6)串行机构的拓扑结构。首先建立了串行机构关节的数据结构,以及每个关节存储方式,接着实现了对参数组合的映射处理;最后根据串行机构运动学方程计算机构活动所经过的轨迹点的坐标,结合NURBS曲面的构造方法,实现工作空间的三维造型。


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