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。

基于共形几何的面部模型插值构建算法

针对传统三维模型构建方法难以获取连续维度的高质量面部模型问题,提出一种以不同表情的多面部模型为数据源基于共形几何的面部模型插值构建技术。利用准共形映射算法将面部模型降维到二维平面;提出一种插值算法对多模型形状特征进行线性插值,为构建过渡模型定义几何约束,同时提出一种自适应模型选择算法在数据源中自适应选择基础模型;通过几何约束引导准共形迭代改变基础模型形状;将变化后的二维模型转化到三维空间,构建具有过渡表情的三维面部模型。实验结果表明,该算法的有效性和运行效率都得到大幅提高。

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。

空间圆形物体的共形几何代数拟合方法

针对传统空间圆拟合方法不稳定、拟合精度不高的问题,提出一种空间圆形物体的共形几何代数拟合方法。首先,将实验数据点集映射到共形空间,利用内积算子给出了拟合球最小二乘法的共形空间表达。在共形空间求最小非负特征解,即两个最佳拟合球的方程。利用共形空间Meet算子对这两个最小非负特征解求交得到拟合空间圆。实验结果表明,上述算法受噪声影响小、鲁棒性较高,特别适用于解决噪声复杂的数据点问题,运行速度比欧氏空间方法快2.9倍以上。同时,经应用实例验证所提方法在保证测量精度的前提下,有效提高了算法运行效率,可在工程中实际应用。

基于共形几何代数的平面四杆机构分支缺陷辨识

针对不能准确定位出平面四杆机构综合结果中存在的分支缺陷的问题,提出了基于共形几何代数的平面四杆机构分支缺陷辨识方法。对于类型I杆件:首先,通过共形几何代数的映射函数,建立了平面四杆机构的共形模型。然后,通过建立两条直线的夹角关系表达式,进而提出了平面四杆机构从动杆件构型函数表达式。最后,通过计算夹角来判别不同精确点对应的机构构型,从而实现平面四杆机构分支缺陷的辨识。对于类型Ⅱ杆件:首先基于共形几何代数建立平面四杆机构的距离曲线函数,然后设置距离曲线函数的上、下限制线,通过求解上、下限制线以及距离曲线函数组成的方程,可以得到机构的死点,通过死点可以得到机构的不同分支,由此可以进行平面四杆机构函数精确点综合分支缺陷的辨识。理论分析和研究结果表明:本文提出的设计缺陷辨识方法正确性和可行性。

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.

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。

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。

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。

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.

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。

三维社区建模与分析的共形几何代数方法

利用共形几何代数的多维统一表达与分析优势,研究了集成多源数据的三维社区统一建模与分析方法。构建了基于多重向量存储结构的社区场景整体建模流程,实现了CityGML、DXF等多源数据的导入与集成,并设计了基于共形几何代数的对象运动表达与插值方法。以德国Waldbruecke村为例的验证结果显示,基于共形几何代数的三维社区建模可以较好地表达复杂社区对象,并可以有效支撑几何度量、动态对象跟踪、运动轨迹重建等功能实现。

6自由度关节机器人运动学反解的共形几何代数方法

机器人运动学模型的建立普遍利用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法和旋量法,但是D-H参数法的几何意义不够明确,旋量法则有低自由度、关节轴线相交于1点的结构限制。针对6自由度关节机器人反解问题提出一种利用共形几何代数求解的新方法。首先以旋转关节轴线和旋转平面为基础建立无坐标系机器人模型,并定义肩部、肘部和腕部3种机器人结构设计形式。然后在上述模型和机器人结构下利用已知共形点建立直线、平面、圆周和球体等共形几何对象,通过几何对象的约束关系进行简单的代数运算完成各关节轴的旋转角计算。另外,该方法在进一步简化代数运算的基础上,利用2直线对象和旋转平面法矢量的约束关系唯一确定旋转角,从而完成运动学反解计算。最后,以常用的人机协作的UNIVERSAL ROBOT UR5 6自由度关节机器人为例,利用该算法进行运动学反解的验证,计算结果表明该算法的正确性。

图形变换和运动的共形几何代数表示方法

共形几何代数是一种新的几何表示和几何计算工具,它具有直观、简洁、高效、统一、雅致等特性。在简单介绍外积、内积和几何积等基本概念之后,重点论述了共形几何代数在图形反射、旋转、平移等变换和刚体运动、螺旋运动等方面的描述和计算方法,并给出了实验示例。共形几何代数在计算机图形学、计算机视觉和机器人学等领域将有广泛应用。

共形几何代数——几何代数的新理论和计算框架

共形几何代数是一个新的几何表示和计算工具.作为几何的高级不变量和协变量系统的结合,它为经典几何提供了统一和简洁的齐性代数框架,以及高效的展开、消元和化简算法,从而可以进行极其复杂的符号几何计算,在几何建模与计算方面表现出很大的优势.主要讲述共形几何代数的产生背景和意义,共形几何代数的数学理论和它最有特色的几个部分,包括Grassmann结构、统一几何表示和旋量作用、基本不变量系统和高级不变量系统、新的计算思想、展开和化简技术等.

共形几何代数与运动和形状的刻画

共形几何代数在基于运动和形状刻画的视觉和图形学若干问题中的应用,反映了它能够提供统一和有效的表示和算法,这些应用主要集中在采纳几何体的Grassmann分级表示以及刚体运动的旋量和扭量表示.着重介绍了Grassmann分级表示如何被应用于单眼视觉问题并带来解决方法的简化;通过对刚体运动不同表示的分析,介绍旋量和扭量表示如何克服刚体运动蹬矩阵表示中参数空间具有过多非线性约束的缺点,从而为姿态估计、形状逼近和曲线拼接等问题的解决提供简化方案.

共形几何代数与几何不变量的代数运算

几何不变量的使用是计算机视觉和图形学的一个重要手段.发现一个不变量后,如何找到它与其他不变量的关系,是实际应用中的一个重要问题,这种关系的探讨主要依靠在不变量层次上的代数运算.文中介绍了共形几何代数中的基本、高级和有理不变量如何在几何问题中自然出现,它们之间如何进行代数运算,以及如何通过不变量的化简,自然地得到几何条件的充分必要化和几何定理的完全化.几何定理的机器证明作为几何定理完全化的副产品,被发展成几何定理的关系定量化,这种量化的几何还原就是几何定理的自然推广.几何不变量之间的几何关系的计算是这些技术的一个具体应用.

基于共形几何代数的三维地理场景建模与表达

以共形几何代数对几何体的多维统一表达为基础,构建基于多重向量的三维地理场景建模与表达流程。对CityGML数据进行解析,应用本模型对其加以组织和管理,并实现场景的可视化与交互。德国Waldbruecke村的实例验证结果显示,基于共形几何代数的三维场景建模与表达可以较好地支撑复杂地理场景的表达、重建与检索,并可实现多维度对象的统一管理与维护,有助于支撑大规模地理数据及场景的分析及应用。

基于共形几何代数与二次规划的分类器设计

提出一种基于共形几何代数与二次规划的分类器设计方法。从新的角度出发,讨论了运用共形几何代数理论来构造最优分类超球可分问题的可行性和简便性,首先介绍了基于共形几何代数的分类超球面的几何表示,并用此表示将二类最优分类超球面的可分问题转化二次规划的训练学习问题,在此基础上分析了多类分类器的设计和训练方法。该算法保留了最大分类间隔理论的优点,将二类最优平面可分推广到最优超球可分,简化了其运算复杂度,仿真实验表明,该学习算法简洁明确,对于算法的集成,提高效率有着很重要的意义。