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元胞自动机理论在并联机构工作空间搜索法中的应用

夏永强 罗玉峰 石志新 羊龙 谢冬福

夏永强, 罗玉峰, 石志新, 羊龙, 谢冬福. 元胞自动机理论在并联机构工作空间搜索法中的应用[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(3): 457-464. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180179
引用本文: 夏永强, 罗玉峰, 石志新, 羊龙, 谢冬福. 元胞自动机理论在并联机构工作空间搜索法中的应用[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(3): 457-464. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180179
Xia Yongqiang, Luo Yufeng, Shi Zhixin, Yang Long, Xie Dongfu. Application of Cellular Automata Theory in the Search Method of Workspace of Parallel Manipulator[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(3): 457-464. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180179
Citation: Xia Yongqiang, Luo Yufeng, Shi Zhixin, Yang Long, Xie Dongfu. Application of Cellular Automata Theory in the Search Method of Workspace of Parallel Manipulator[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(3): 457-464. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180179

元胞自动机理论在并联机构工作空间搜索法中的应用

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180179
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51365036

详细信息
    作者简介:

    夏永强(1993-), 硕士研究生, 研究方向为机器人机构学, 2361982940@qq.com

    通讯作者:

    石志新, 副教授, 硕士生导师, shizhixin@ncu.edu.cn

  • 中图分类号: TH122

Application of Cellular Automata Theory in the Search Method of Workspace of Parallel Manipulator

  • 摘要: 针对传统并联机构工作空间搜索法所得边界精度低、效率低等问题,提出一种通用的基于元胞自动机理论的快速搜索方法。该方法以元胞自动机中邻域思想和黄金分割法原理为基础,研究了并联机构工作空间求解的数值法,并总结出这些方法的不足。通过引入元胞自动机的邻域提取粗糙化边界和搜索方向,并将黄金分割二分法引入维度搜索中,以实现任意精度的边界点搜索,其后仿真算例检验了此方法的有效性与快速性,并与极坐标搜索法、蒙特卡洛法、精确化处理进行对比。分析表明:该算法在求解精度、效率具有明显优势,并且适用于二维、三维的并联机构工作空间的求解。
  • 图  1  元胞自动机的二维邻域模型

    图  2  元胞自动机的三维邻域模型

    图  3  元胞提取边界示意图

    图  4  黄金分割法逼近一维工作空间边界原理

    图  5  3RRR平面并联机构结构简图

    图  6  3RRR平面并联机构的工作空间

    图  7  3T1R并联机构结构简图

    图  8  3T1R并联机构的工作空间

    图  9  3RRR平面并联机构的工作空间

    图  10  3T1R空间并联机构的工作空间

    图  11  粗糙化处理所得3RRR并联机构的工作空间

    图  12  粗糙化处理所得3T1R并联机构的工作空间

    表  1  3RRR平面并联机构参数值

    m
    R r a b
    1 1.75 2.25
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    表  2  3T1R平面并联机构参数值

    m
    R r l1 l2 l3
    1.0 0.8 0.7 2.0 0.419 1
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    表  3  极坐标边界搜索法与元胞黄金分割法对比

    a
    算法 可达工作空间耗时 姿态工作空间耗时
    极坐标搜索法 677.222 105 39.776 22
    元胞黄金分割法 2.328 487 0.823 79
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    表  4  蒙特卡洛法算法与元胞黄金分割法对比

    s
    算法 可达工作空间耗时 姿态工作空间耗时
    蒙特卡洛法 90.168 225 48.752 804
    元胞黄金分割法 46.480 772 9.767 137
    下载: 导出CSV
  • [1] 沈惠平, 张震, 杨廷力, 等.3T1R并联机构结构降耦设计与其运动学分析[J].农业机械学报, 2017, 48(10):380-389, 400 doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.049

    Shen H P, Zhang Z, Yang T L, et al. Structure coupling-reducing design and kinematics analysis of 3T1R parallel mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(10):380-389, 400(in Chinese) doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.049
    [2] Cao Y, Lu K, Li X J, et al. Accurate numerical methods for computing 2D and 3D robot workspace[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2011, 8(6):1-13 http://d.old.wanfangdata.com.cn/OAPaper/oai_doaj-articles_9f24247b8c1858bf6b77cb7737b14646
    [3] 赵燕江, 张永德, 姜金刚, 等.基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J].机械科学与技术, 2009, 28(12):1657-1661, 1666 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JXKX200912027.htm

    Zhao Y J, Zhang Y D, Jiang J G, et al. A method for solving robot workspace based on matlab[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2009, 28(12):1657-1661, 1666(in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JXKX200912027.htm
    [4] 崔建昆.3-RRR平面并联机器人的灵活工作空间[J].上海理工大学学报, 2005, 27(4):365-368, 372 doi: 10.3969/j.issn.1007-6735.2005.04.021

    Cui J K. On the dexterous workspace of 3-RRR planar parallel manipulator[J]. Journal of University of Shanghai for Science and Technology, 2005, 27(4):365-368, 372(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-6735.2005.04.021
    [5] Bonev I A, Ryu J. A geometrical method for computing the constant-orientation workspace of 6-PRRS parallel manipulators[J]. Mechanism and Machine Theory, 2001, 36(1):1-13 doi: 10.1016/S0094-114X(00)00031-8
    [6] 宋亚楠, 崔建昆.求解平面并联机器人工作空间边界的折返式搜索算法[J].机械传动, 2015, 39(5):70-72 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXCD201505038.htm

    Song Y N, Cui J K. Iterative search algorithm for solving planar parallel robot workspace boundary[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2015, 39(5):70-72(in Chinese) http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXCD201505038.htm
    [7] 朱心平, 崔建昆, 张源.求解3-RRR平面并联机器人工作空间的迭代搜索法[J].机械研究与应用, 2010(3):48-49 doi: 10.3969/j.issn.1007-4414.2010.03.020

    Zhu X P, Cui J K, Zhang Y. Iterative search research on work space for 3-RRR paralleled robot mechanism[J]. Mechanical Research & Application, 2010(3):48-49(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-4414.2010.03.020
    [8] Snyman J A, du Plessis L J, Duffy J. An optimization approach to the determination of the boundaries of manipulator workspaces[J]. Journal of Mechanical Design, 2000, 122(4):447-456 doi: 10.1115/1.1289388
    [9] Huang M Z, Thebert J L. A study of workspace and singularity characteristics for design of 3-DOF planar parallel robots[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 51(5-8):789-797 doi: 10.1007/s00170-010-2632-4
    [10] Huang M Z, Thebert J L. A study of workspace and singularity characteristics for design of 3-DOF planar parallel robots[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 51(5-8):789-797 doi: 10.1007/s00170-010-2632-4
    [11] 朱海飞, 管贻生, 吴文强, 等.基于二分逼近原理的定姿态工作空间快速搜索方法[J].机器人, 2013, 35(6):709-715 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jqr201306010

    Zhu H F, Guan Y S, Wu W Q, et al. A fast search method for computing the constant-orientation workspace based on the binary approximating principle[J]. Robot, 2013, 35(6):709-715(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jqr201306010
    [12] Alciatore D, Ng C. Determining manipulator workspace boundaries using the Monte Carlo method and least squares segmentation[J]. ASME Robotics:Kinematics, Dynamics and Controls, 1994, 72:141-146
    [13] Cao Y, Zang H, Wu L, et al. An engineering oriented method for the three dimensional workspace generation of robot manipulator[J]. Journal of Information and Computational Science, 2011, 8(1):51-61 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=7d8005a3b0f95813f0ea57123a71a788
    [14] 王燕, 杨庆华, 鲍官军, 等.关节型果蔬采摘机械臂优化设计与试验[J].农业机械学报, 2011, 42(7):191-195 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyjxxb201107036

    Wang Y, Yang Q H, Bao G J, et al. Optimization design and experiment of fruit and vegetable picking manipulator[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(7):191-195(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyjxxb201107036
    [15] Zaitsev D A. A generalized neighborhood for cellular automata[J]. Theoretical Computer Science, 2016, 666:21-35
    [16] Frette O I, Virnovsky G, Silin D. Estimation of the curvature of an interface from a digital 2D image[J]. Computational Materials Science, 2009, 44(3):867-875 doi: 10.1016/j.commatsci.2008.06.006
    [17] Ding X F, Guo H, Guo S. Efficiency enhancement of traction system based on loss models and golden section search in electric vehicle[J]. Energy Procedia, 2017, 105:2923-2928 doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.662
    [18] 石志新, 叶梅燕, 罗玉峰, 等.3T1R并联机构结构设计与位置分析[J].农业机械学报, 2016, 47(8):364-369 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyjxxb201608048

    Shi Z X, Ye M Y, Luo Y F, et al. Structure design and displacement analysis of 3T1R parallel mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8):364-369(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyjxxb201608048
    [19] 王阳, 郭林福.轻型协作机械臂运动学及工作空间分析[J].机械工程与自动化, 2017(1):44-46 doi: 10.3969/j.issn.1672-6413.2017.01.018

    Wang Y, Guo L F. Kinematics and workspace analysis of lightweight collaboration manipulator[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2017(1):44-46(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-6413.2017.01.018
    [20] 刘志忠, 柳洪义, 罗忠, 等.机器人工作空间求解的蒙特卡洛法改进[J].农业机械学报, 2013, 44(1):230-235 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyjxxb201301043

    Liu Z Z, Liu H Y, Luo Z, et al. Improvement on monte carlo method for robot workspace determination[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(1):230-235(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyjxxb201301043
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  • 收稿日期:  2017-10-26
  • 刊出日期:  2019-03-05

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