基于共形几何代数的工业机器人运动学分析

为解决工业机器人运动学求解复杂程度高、运算量大的问题,将共形几何代数(Confor-mal Geometric Algebra,CGA)方法引入到工业机器人运动学模型构建中。在正运动学求解过程中,利用CGA中平移算子和旋转算子列出各关节的运动表达式,求出机器人末端执行器的位姿;在逆运动学求解过程中,将构造的基本几何体进行外积计算,求得各关节点的位置,然后构造过关节点的线和面,并在CGA框架内做内积,得到所有关节角的余弦表达,求解得到机器人逆运动学的全部解;最后,以MOTOMAN-HP20D型6自由度工业机器人为例进行计算,并通过Matlab/Simulink软件验证了算法的准确性和有效性,为机器人后续的运动控制奠定了基础。

基于共形几何代数的并联机器人逆运动学分析方法

运动学分析是并联机器人运动学性能评估和结构尺寸优化的基础。现有并联机器人运动学分析方法存在几何建模与几何计算相分离的问题,本文利用共形几何代数(Conformal geometric algebra, CGA)集几何表示和计算为一体的优势,提出一种并联机器人逆运动学分析方法。根据动平台位姿参数给出动平台刚体运动算子,通过共形几何代数框架下的几何积实现动平台上任意点的刚体变换,得到任意点在运动过程中的共形几何表达式;结合机构中尺寸、几何约束,利用内积运算,建立机构运动学方程;根据运动学方程,进行运动学反解计算和速度分析。以3自由度的3-RPS并联机器人和6自由度6-UPS并联机器人为例,对所提方法进行验证,并将逆运动学推导结果与仿真软件所得结果进行了对比,验证了本文提出方法的正确性。该方法将空间向量和旋转表示等几何对象与矩阵乘法、矢量外积等计算方式相结合,使得并联机器人空间几何问题统一在一个代数系统中进行处理,因此分析过程几何直观性较强,简化了运动学逆解分析计算过程。

基于共形几何代数的一种平面并联机构位置正解

以平面并联机构为题,应用5维几何代数(共形几何代数)方法对该平面并联机构进行了分析,建立了运动学正解模型,并编制了Maple的计算程序,求出了6组位姿结果,最后将分析结果与采用吴方法得到的分析结果进行对照,证明了该方法的有效性.这对用统一的数学工具分析机构学,降低非线性度,增强几何直观性方面做了初步尝试.

探寻几何代数齐上阵,拓宽数量积最值求解——一道2023年强基计划校考试题的探究与拓展

强基计划数学试题普遍具有很好的区分度,突出了数学基础学科的引领作用,着力考查学生的综合素养和创新意识,体现了为高校选拔优秀人才的目标.平面向量在高中数学学习中属于工具性的专题,有关平面向量数量积的最值问题是近几年各校强基计划校考中的热点问题.这类平面向量题目立足于向量的基本知识点,同时综合了数学中的其他知识点(如三角函数等),对于数学综合能力的考查比较到位,属于难题,向量数量积最值问题的求解有以下三个方向.

几何代数和几何计算(二)

时代的需求 数学科学的发展要适应时代的需求. 欧洲的文艺复兴,极大地促进了自然科学的进步,各类新的重大发现,如天文学、力学、机械学等,只有成功应用了数学,才能形成完美的科学定律.坐标几何正是适应这样的时代需求应运而生的,它的建立改变了科学的历史进程.

基于几何代数的多类型约束路网最优路径分析算法

针对现有交通规划中最优路径算法难以同时集成多种不同类型约束的不足,提出了一种多类型约束下最优路径统一求解的几何代数算法。基于几何基编码的网络表达模型,实现了对节点、边、路径等网络对象及权重和约束条件的统一表达。建立了基于几何邻接矩阵外积的路径延拓、遍历与筛选机制,实现了路径延拓过程中网络拓扑关系和权重结构的同步计算。在此基础上,构建多约束条件下最优路径生成算法。最后,以江苏道路网络为例对算法的正确性进行验证,结果显示,该算法可较好地支撑同时包含数值型、节点型及结构型约束条件下最优路径的计算,可为复杂GIS网络分析提供理论与方法支撑。

多条件约束应急疏散路径分析的几何代数方法

面向突发事件的应急响应与疏散路径分析的需求,基于几何代数构建多目标约束应急疏散路径分析方法,利用多重向量实现了多维地理场景建模及路径距离计算。其中利用几何基进行网络编码,构建多维地理网络拓扑结构的几何代数邻接矩阵表达,建立了基于几何代数的最短路径算法,进而构建多目标约束的应急疏散模型。基于德国Waldbruecke村三维场景中污染物扩散条件下的应急疏散分析表明,该方法可较好地支撑阈值限制条件下网络路径的动态生成,可为虚拟场景中应急疏散的决策与模拟提供理论与技术支撑。

利用几何代数进行线段模型匹配和运动估计

首先探讨了 Clifford代数 (几何代数 )在计算机视觉中的应用 ,并得到了 2 D与 3D旋转的统一表达公式 ;进而探讨了该公式在直线模型匹配和运动估计中的应用 ;在改进 2 D多角弧匹配算法的基础上 ,提出了一个同时进行线段模型的匹配和运动估计的算法 .该算法通过最小化模型线段与被检测线段间的距离 (距离函数定义为对应点间欧氏距离的积分 )而求得的最佳运动估计中的旋转 ,可由一个矩阵的奇异值分解来表示 ,从而为首次同时解决这两个问题 ,进行了初步尝试 ,且该算法不受维数限制 .最后的模拟实验结果表明 ,该算法效果良好 .

PIR传感器网络中行为轨迹重构的几何代数方法

基于高密度、低成本的PIR(Passive Infrared Detector)被动式红外探测器传感器进行人群行为轨迹的定位与重建是人群行为分析的重要方向.PIR传感器通过0-1响应确定附近是否有行人通过,并通过不同传感器响应序列的时空序列关系实现对人群行为轨迹的识别与跟踪.已有PIR传感器网络分析方法多从群体行为视角揭示人群运动的统计特征,在行为估算精度、不确定性等方面仍存在诸多问题.本文针对PIR传感器网络中个人行为轨迹的重构问题,引入几何代数工具,实现PIR传感器网络拓扑、时空响应数据序列和行为轨迹的代数化统一表达,进而以传感器响应的时空关系为基础进行网络连通性的判定.基于几何代数算子构建轨迹路径的延拓与扩展规则,并集成传感器对轨迹的时空响应关系构建基于PIR传感器网络响应序列数据的行为轨迹重构算法.最后以MERL实验室连续观测数据为案例,论证了方法的合理性与有效性.

几何代数及其在飞行力学中的应用

介绍了几何代数的基本知识,比较了几何代数与矢量代数、四元数的区别和联系,并推导了它们在表示旋转时的互相转换关系,展示了几何代数在描述空间旋转变换时的便利。最后通过相对姿态运动的分析,展示了几何代数在飞行力学中应用的可行性。

利用共形几何代数的串联机器人位置逆解求解方法

为获得串联机器人位置逆解的解析解,使用共形几何代数对串联机器人位置逆解进行了研究。利用共形几何代数中基本几何元素的内积和外积运算,获得串联机器人各关节点的位置,然后通过构造经过关节点的直线与直线以及平面与平面的内积,求解出机器人所有关节转角,从而直接获得了串联机器人位置逆解的解析解。该方法求解简捷,几何直观性好,避免了经典机器人运动学理论中欧拉角、矩阵的运算以及复杂的多元高次非线性方程组求解,求解过程和结果可以明显地反映机器人几何结构与机器人运动之间的几何关系。以一种空间6R串联机器人位置逆解为例进行了求解,算例计算表明该方法正确、有效,计算效率提高了近44倍。

空间并联机构运动学分析的共形几何代数方法

提出了空间并联机构运动学分析的集几何表示和计算为一体的共形几何代数方法。以动平台上的坐标原点描述动平台的位置,以欧拉角描述动平台的姿态,给出了动平台上任意一点在定坐标系中位置的共形几何代数表达式,进而提出了一种建立空间并联机构运动学方程的数学建模方法。根据所建立的运动学方程,可进行空间并联机构的运动学正解和运动学反解分析。通过一种4-UPU空间并联机构运动学分析,进一步阐述了所提出的共形几何代数运动学分析方法,通过数值实例验证了所提出方法的正确性和有效性。

基于共形几何代数与Radon变换的圆检测方法

为解决图像中的目标检测问题,本文给出了一种基于共形几何代数与Radon变换的圆检测识别方法,从新的角度出发,讨论了运用共形几何代数概念来解决圆检测问题的可行性和简便性。该方法主要是通过共形几何代数理论,将欧氏空间中的圆用共形几何代数中的矢量表示,进而可以等效为平面,最后利用三维Radon变换,对空间中的平面进行检测,可以有效地检测识别图像中的圆形目标。实验结果表明该算法简洁明确,可以对图像中的多圆进行同时检测识别,对于算法的集成,提高效率有着很重要的意义。

基于几何代数的知识型员工—项目匹配程度计算方法

为了更好地辅助项目成员的评价和选择,提出一种知识型员工—项目匹配程度的计算方法。将项目和员工涉及的知识点映射到几何代数空间,并利用结构力学的思想优化知识点的位置,使这些点之间的距离与给定的语义距离一致。使用多维空间中的不同点集分别表示企业待选员工和项目所需员工的工作能力,并构建了基于内积和外积的综合距离指标,通过计算点集之间的距离间接获得员工与项目的匹配程度。以某知识管理系统开发项目成员选择为例,对所提方法进行了应用研究,结果表明,通过计算该距离指标,能够较好地评估待选员工与项目的匹配程度。

一种平面并联机构位置正解分析的共形几何代数及Sylvester结式方法

研究一种平面并联机构位置正解分析的共形几何代数建模方法和改进的Sylvester结式消元求解方法.基于含有未知参数的5维共形空间的点表示,提出了位置正解分析的共形几何代数建模方法.提出了一种改进的Sylvester结式消元方法,即冗余因子消去法,求出了能得到准确解的一元6次方程.通过一个数值实例,得出了这个机构位姿的无增无漏的6组解,验证了所提出方法的正确性和有效性.

一种6自由度关节机器人逆运动学共形几何代数法

为获得一种6R(R为转动副)焊接机器人运动学逆解,使用共形几何代数(CGA)对焊接机器人运动学进行研究.利用共形几何代数中基本几何元素的表达以及几何形体的内积和外积运算,获得了焊接机器人各关节点的位置;通过构造经过关节点的直线与直线以及平面与平面的内积,得出机器人所有关节转角余弦表达,从而获得了焊接机器人位置逆解所有解析解.最后,以一种空间6自由度关节机器人为例求解运动学逆解,结果表明,新方法正确有效,几何直观性好.

多元数据升维变换的几何代数表示原理

传统多元数据分析和模式识别领域一般采用向量空间模型。本文提出将多元数据从维向量空间映射到其生成的几何代数空间的升维变换方法,给出了多元数据在几何代数空间的多向量表示,并且证明了该多向量表示的完备性。最后展望了将几何代数应用于可视化模式识别的前景。

基于共形几何代数的圆拟合方法实现

提出一种基于共形几何代数的圆拟合算法,通过将欧式空间嵌入到共形空间,圆可以表示为向量形式,共形空间中点与圆的内积,则表示了点与圆的位置关系。可以证明,通过附加两个变量,圆就可以表示为平面,用圆代替超平面作为决策面,可以降低某些问题的计算复杂度。针对Visual Basic数值计算能力的不足,不利于系统开发;介绍基于共形几何代数圆拟合算法及其基于VB和Matrix VB的实现,该方法将Matlab的强大计算功能与VB的Windows用户界面开发方面的优势结合起来,充分发挥了各自优势,缩短了软件的开发周期。软件测试结果表明,计算方法正确,计算速度快,系统资源消耗少,操作简便易行,能满足数据拟合的要求。

结合几何代数改进的SIFT桥梁裂缝图像拼接算法

针对桥梁裂缝图像精度要求高,拼接质量受原图像亮度变化大、噪声干扰严重和对比度低的影响,提出了一种结合几何代数改进的SIFT桥梁裂缝图像的新型拼接算法。对SIFT算法进行了两方面的改进:一是通过几何代数空间的表示形式提取了待拼接图像的色度图像,克服了SIFT算法中色度信息丢失的不足;二是改进了SIFT算法对灰度图像建立尺度空间的方法,构建了新的可适用于多光谱图像的高斯滤波和卷积运算,确定了尺度空间。通过几何代数DoG空间检测特征点并进行预匹配。使用改进的RANSAC算法对匹配结果进行修正,完成了图像之间的精确拼接。实验结果表明,所提算法的性能优于SIFT算法,提取的特征点对数量提高了近10%;拼接过程中未产生位错现象,最终拼接结果满足桥梁裂缝图像的精度要求。

基于几何代数的并联机构自由度自动化分析

基于R(3,3)几何代数,提出一种符号描述并联机构自由度的自动化算法。首先根据螺旋副之间的几何关系,利用R(3,3)几何代数能符号描述刚体运动的优势,自动求解并联机构各支链螺旋系;然后利用R(3,3)几何代数能符号表示集合交集和并集的优势,自动求解动平台运动空间,该运动空间为所求并联机构自由度的符号表示式;最后基于C++软件平台对这种并联机构自由度自动化求解算法进行验证。使用R(3,3)几何代数不仅能通过刚体运算法则得到支链螺旋系的符号表达,同时可以直接求解动平台运动空间,省去一般螺旋理论求互易螺旋需求解线性方程的过程,算法简洁,可以得到并联机构自由度的符号表达式,从而实现自动化分析。