專利名稱：一種根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人路徑規(guī)劃領(lǐng)域，特別涉及一種根據(jù)機器人三維可行路徑生成三維安全管道的方法?？蓱?yīng)用于機器人路徑規(guī)劃、機器人虛擬夾具、虛擬現(xiàn)實特殊管道生成、計算機輔助設(shè)計多形狀管道設(shè)計。
背景技術(shù)：
在計算機輔助設(shè)計CAD中，管道的生成一般是比較規(guī)則的管道，橫截面邊緣是可用方程表示的。AUTO CAD用的管道生成算法是Swe印Surf，該算法通過給定一條路徑和橫截面的表示方程可以自動生成一條管道，該管道的橫截面積是固定的，而且整個管道的形狀是一致的，這種方法在機器人路徑規(guī)劃中不能生成自適應(yīng)的管道。在機器人估計規(guī)劃領(lǐng)域中，需要生成的管道形狀是不定的，而且不同管道之間需要拼接起來。當(dāng)前的算法不能滿足1)同一管道的橫截面積大小不同。2)不同管道不能進(jìn)行光滑拼接。3)管道不能用有限的單元進(jìn)行表示并保存。在機器人路徑規(guī)劃中，特別需要進(jìn)行碰撞檢測的機器人系統(tǒng)中，需要自適應(yīng)靈活的分段規(guī)劃管道，并對管道進(jìn)行光滑拼接，而且管道可以被有限單元表示，以方便進(jìn)行碰撞檢測。這就需要設(shè)計一種高效靈活的管道生成方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種靈活而且容易實施的根據(jù)機器人三維可行路徑生成三維安全管道的方法。為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種根據(jù)機器人三維可行路徑生成三維安全管道的方法，包括如下步驟SI、可行路徑的離散化，得到一系列的路徑單元；S2、管道的離散化，根據(jù)每個路徑單元建立管道單元；S3、建立管道單元；S4、根據(jù)路徑上的離散點和路徑單元，通過向量運算，得到一系列點集，生成三角片從而生成管道單元；S5、對不同管道口形狀的管道進(jìn)行拼接。上述方法中，所述步驟SI包括利用離散的方法對路徑進(jìn)行擬合，得到一系列的路徑單元和離散點，路徑單元長度τ可以根據(jù)擬合的精確度進(jìn)行定義。其中路徑的形式是確定路徑的起點和終點，路徑形狀可以動態(tài)調(diào)整。上述方法中，所述步驟S2包括根據(jù)可行路徑中的路徑單元進(jìn)行管道離散化，在每個路徑單元中建立一個管道單元，該管道單元以路徑單元為軸，包圍路徑單元。上述方法中，所述步驟S3包括以下步驟S31、根據(jù)路徑上的離散點、路徑單元和管道半徑，運用向量運算，得到管道橫截面上的始點；S32、對始點繞路徑單元旋轉(zhuǎn)，得到管道橫截面上的其他點，構(gòu)造正多邊形；S33、運用相鄰兩個管道橫截面上的頂點生成三角片，構(gòu)造成柱面，從而生成管道單元。上述方法中，所述步驟S4包括根據(jù)路徑起點和終點，利用生成的管道單元即可構(gòu)造管道。因為步驟S31中需要用到路徑上的離散點和路徑單元，而路徑單元是通過當(dāng)前離散點和下一離散點確定的，所以最后一個路徑單元不被使用。上述方法中，所述步驟S5包括以下步驟所述步驟S5包括以下步驟S51、管道pipel拼接管道pipe2,首先根據(jù)管道pipel對應(yīng)的路徑的終點和管道pipe2對應(yīng)的路徑的起點，得到一條路徑，運用步驟S4，生成管道pipe3 ;管道pipe3管道口的形狀根據(jù)管道pipel和管道pipe2的管道口形狀確定，管道pipe3管道口的邊數(shù)為管道pipel和管道pipe2的管道口邊數(shù)的最小公倍數(shù)；S52、根據(jù)管道pipel終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集和管道pipe3起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集，無縫連接管道pipel和管道pipe3 ；由步驟S51得知，管道pipe3起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)是管道pipel終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)的整數(shù)倍，設(shè)為time倍；重復(fù)利用time倍管道pipel對應(yīng)的管道橫截面上的點集，運用這些點，生成三角片，從而連接管道pipel和管道pipe3 ；S53、根據(jù)管道pipe3終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集和管道pipe2起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集，拼接管道pipe3和管道pipe2 ;由步驟S52得知，管道pipe3終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)是管道pipe2起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)的整數(shù)倍，設(shè)為time倍；重復(fù)利用time倍管道pipe2對應(yīng)的管道橫截面上的點集，運用這些點，生成三角片，從而拼接管道pipe3和管道pipe2。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及技術(shù)效果1、設(shè)計生成的管道靈活，可以調(diào)節(jié)管道的光滑程度、管道口的形狀、管道的半徑和管道的長度。2、實現(xiàn)了復(fù)雜的三維空間中的不同管道口形狀管道的拼接，符合機器人路徑規(guī)劃中開放環(huán)境下根據(jù)復(fù)雜三維路徑生成三維安全管道的需求。3、設(shè)計生成管道的算法高效易實施。


圖I是可行路徑離散化圖；圖2是管道離散化圖；圖3是生成管道橫截面始點圖；圖4是管道橫截面相鄰點夾角圖；圖5是管道橫截面上多邊形頂點生成圖；圖6是生成管道單元頂點編號圖；圖7是管道單元生成效果圖；圖8是利用管道單元生成管道圖9是管道多 元拼接頂點編號圖；圖10是拼接效果圖(未貼三角片)。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。本根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，包括如下步驟SI、可行路徑的離散化；S2、管道的離散化；S3、建立管道單元；S4、生成管道；S5、多元拼接。所述步驟SI包括以下步驟S11、如圖I所示，利用離散的方法對路徑進(jìn)行擬合，得到一系列的路徑單元和離散點，路徑單元長度T可以根據(jù)擬合的精確度進(jìn)行定義。其中路徑的形式是確定路徑的起點和終點，路徑形狀可調(diào)整。所述步驟S2包括以下步驟S21、如圖2所示，根據(jù)可行路徑中的路徑單元進(jìn)行管道離散化，在每個路徑單元中建立一個管道單元，該管道單元以路徑單元為軸，包圍路徑單元。所述步驟S3包括以下步驟S31、根據(jù)路徑上的離散點、路徑單元和管道半徑，運用向量運算，得到管道橫截面上的始點。如圖3所示,原點到路徑單元起點P的向量為@，當(dāng)前路徑單元的向量為Z，利用向量兩和向量Z的差乘，得到與向量兩和向量Z都垂直的向量0 Q = OP*!對向量g單位化得到，管道橫截面上的始點S的確定為從點P出發(fā),沿著的方向取r長度S = P + n^*rS32、對始點繞路徑單元旋轉(zhuǎn)，得到管道橫截面上的其他點，構(gòu)造正多邊形。多邊形的構(gòu)造在于多邊形頂點的確定，如圖4所示，假設(shè)需要構(gòu)造n邊形，那么兩相鄰頂點所對應(yīng)的半徑夾角為0 = 2* /n當(dāng)確定了始點與中心軸后，第二個點的確定可以通過對始點繞中心軸旋轉(zhuǎn)e角度后得到。下面給出繞任意軸單位方向旋轉(zhuǎn)的變換矩陣。給定任意單位軸q(ql,q2,q3)(向量),求向量p(x,y,z)(或點p)繞q旋轉(zhuǎn)theta角度的變換后的新向量P'(或點P'):構(gòu)造旋轉(zhuǎn)矩陣變換T，則變換后的新向量p'(或點 P')為 P1 = P*T。其中，p' (X' , y' , Z1，I)、p(x, y, z, I)為向量p'、卩的40齊次坐標(biāo)表示，
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，包括如下步驟 51、可行路徑的離散化，得到一系列的路徑單元； 52、管道的離散化，根據(jù)每個路徑單元建立管道單元； 53、建立管道單元； 54、根據(jù)路徑上的離散點和路徑單元，通過向量運算，得到一系列點集，生成三角片從而生成管道單元； 55、對不同管道口形狀的管道進(jìn)行拼接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，所述步驟SI包括利用離散的方法對路徑進(jìn)行擬合，得到一系列的路徑單元和離散點，路徑單元長度T根據(jù)擬合的精確度進(jìn)行設(shè)定，其中路徑的形式是確定路徑的起點和終點，路徑形狀能動態(tài)調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，所述步驟S2包括根據(jù)可行路徑中的路徑單元進(jìn)行管道離散化，在每個路徑單元中建立一個管道單元，該管道單元以路徑單元為軸，包圍路徑單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，所述步驟S3包括以下步驟 531、根據(jù)路徑上的離散點、路徑單元和管道半徑，運用向量運算，得到管道橫截面上的始點； 532、對始點繞路徑單元旋轉(zhuǎn)，得到管道橫截面上的其他點，構(gòu)造正多邊形； 533、運用相鄰兩個管道橫截面上的頂點生成三角片，構(gòu)造成柱面，從而生成管道單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，步驟S31中，原點到路徑單元起點P的向量為兩，當(dāng)前路徑單元的向量為Z ,利用向量兩和向量Z的差乘，得到與向量兩和向量藝都垂直的向量g Q = OP*! 對向量g單位化得到^，管道橫截面上的始點S的確定為從點P出發(fā)，沿著^的方向取r長度X =尸 + e * r。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，步驟S32中多邊形的構(gòu)造在于多邊形頂點的確定，假設(shè)需要構(gòu)造n邊形，那么兩相鄰頂點所對應(yīng)的半徑夾角為 0 = 2* /n 當(dāng)確定了始點與中心軸后，第二個點的確定通過對始點繞中心軸旋轉(zhuǎn)e角度后得到； 設(shè)任意軸的始點為Q(Q1，Q2，Q3)，方向為q(ql，q2，q3)，則繞任意軸旋轉(zhuǎn)是先把需要旋轉(zhuǎn)的點P平移到原點，然后在繞單位方向q(ql，q2，q3)旋轉(zhuǎn)0，再進(jìn)行反平移； 對始點繞其所在的路徑單元旋轉(zhuǎn)，得到管道橫截面上的其他點；按上述步驟進(jìn)行了第二個頂點的計算后，后面的頂點只需要以前一個頂點為參考點繞中心軸旋轉(zhuǎn)9角度后得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，步驟S33中運用步驟S32得到的管道橫截面上的點集，每相鄰的兩個管道橫截面上的點集為一對，根據(jù)這些點生成三角片，從而生成管道。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，所述步驟S4包括根據(jù)路徑起點和終點，利用生成的管道單元即能構(gòu)造管道。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，其特征在于，所述步驟S5包括以下步驟 s51、管道pipel拼接管道pipe2，首先根據(jù)管道pipel對應(yīng)的路徑的終點和管道pipe2對應(yīng)的路徑的起點，得到一條路徑，運用步驟S4，生成管道pipe3 ;管道pipe3管道口的形狀根據(jù)管道pipel和管道pipe2的管道口形狀確定,管道pipe3管道口的邊數(shù)為管道pipel和管道pipe2的管道口邊數(shù)的最小公倍數(shù)； s52、根據(jù)管道pipel終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集和管道pipe3起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集，無縫連接管道pipel和管道pipe3 ;由步驟S51得知，管道pipe3起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)是管道pipel終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)的整數(shù)倍，設(shè)為time倍；重復(fù)利用time倍管道pipel對應(yīng)的管道橫截面上的點集，運用這些點，生成三角片，從而連接管道pipel和管道pipe3 ； s53、根據(jù)管道pipe3終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集和管道pipe2起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集，拼接管道pipe3和管道pipe2 ；由步驟S52得知，管道pipe3終點前一個離散點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)是管道pipe2起點對應(yīng)的管道橫截面上的點集個數(shù)的整數(shù)倍，設(shè)為time倍；重復(fù)利用time倍管道pipe2對應(yīng)的管道橫截面上的點集，運用這些點，生成三角片，從而拼接管道pipe3和管道pipe2。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種根據(jù)三維可行路徑生成三維管道的方法，包括步驟(1)可行路徑的離散化，得到一系列的路徑單元；(2)管道的離散化，根據(jù)每個路徑單元建立管道單元；(3)建立管道單元，根據(jù)路徑上的離散點和路徑單元，通過向量運算，得到一系列點集，生成三角片從而生成管道單元；(4)拼接不同管道口的管道，對各種管道口形狀的管道進(jìn)行拼接。本發(fā)明可生成管道光滑程度、管道口形狀、管道半徑和管道長度可調(diào)節(jié)的三維管道，具有設(shè)計生成的管道靈活、實現(xiàn)了三維空間中的不同管道口管道的無縫拼接、設(shè)計生成管道的算法高效易于實施等優(yōu)點。
文檔編號G06F17/50GK102622461SQ20111026408
公開日2012年8月1日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者張平, 朱張斌, 杜廣龍 申請人:華南理工大學(xué)