[發(fā)明專利]九自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010624276.9
• 申請(qǐng)日: 2010-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN102528802A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱登明;謝斌;劉華俊;王兆其
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16;B25J9/02;B25J13/00
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制學(xué)，特別涉及一種九自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛，如在大的汽車生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)車間中，機(jī)器人的應(yīng)用隨處可見(jiàn)。在多數(shù)情況下，人們需要機(jī)器人能夠完成所指定的動(dòng)作，如汽車生產(chǎn)過(guò)程中的焊接，這種用于研究機(jī)器人如何運(yùn)動(dòng)的學(xué)科被稱為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)可分兩類：正向和逆向。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)所要解決的問(wèn)題是已知機(jī)器人的關(guān)節(jié)空間Q(θ)＝[θ₁，θ₂，…，θ_n]，求機(jī)器人末端位置和姿態(tài)。逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)所要解決的問(wèn)題是已知機(jī)器人末端位置和姿態(tài)，求其關(guān)節(jié)空間。與正向運(yùn)動(dòng)學(xué)相比，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解并非唯一，且其求解過(guò)程更為復(fù)雜。

在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)提出了多種逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解方法，如在參考文獻(xiàn)1“先進(jìn)機(jī)器人控制，譚民，教育出版社，2007年5月”中所提到的投影法、解析法。這些方法在現(xiàn)有的6自由度工業(yè)機(jī)器人(也被稱為完全自由度機(jī)器人，該機(jī)器人上的關(guān)節(jié)類似于人體的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié))中已經(jīng)得到了應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也正是依賴于這些方法才能快速、精確地完成機(jī)械動(dòng)作。

現(xiàn)如今，除了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在攝影領(lǐng)域中應(yīng)用機(jī)器人也已經(jīng)成為可能。帶有攝像頭的機(jī)器人在一些特殊場(chǎng)景中，如危險(xiǎn)性很高的場(chǎng)景，有著廣泛的應(yīng)用前景。而且由機(jī)器人完成攝像動(dòng)作與人工相比也有平穩(wěn)、不易發(fā)生抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到攝影行業(yè)從業(yè)人員，如導(dǎo)演，不太可能具有機(jī)器人控制的相關(guān)知識(shí)，因此應(yīng)用于攝影領(lǐng)域的機(jī)器人需要向用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單、易操作的接口，用戶通過(guò)該接口輸入有限信息后，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)這些信息在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的姿態(tài)。例如，導(dǎo)演在一個(gè)觸摸屏上輸入幾個(gè)要求攝像機(jī)鏡頭到達(dá)的關(guān)鍵點(diǎn)以及攝像機(jī)到達(dá)這些關(guān)鍵點(diǎn)的時(shí)間，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)就能夠根據(jù)這些信息帶動(dòng)攝像頭實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的軌跡，并且進(jìn)一步生成要完成上述軌跡的關(guān)節(jié)空間。此外，由于運(yùn)動(dòng)空間的限制，完全自由度的6自由度機(jī)器人不能滿足攝像機(jī)器人的空間需求。譬如：繞鏡頭的無(wú)限旋轉(zhuǎn)等操作不能通過(guò)6個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)，所以為了滿足攝像過(guò)程中繞自身的旋轉(zhuǎn)和特殊的拍攝需求需要在攝像機(jī)器人的腕關(guān)節(jié)后添加了2個(gè)自由度，并且在所有關(guān)節(jié)前添加了一個(gè)滑動(dòng)自由度以增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間。因此攝像機(jī)器人需要采用9自由度的機(jī)器人。

正是因?yàn)閿z影領(lǐng)域中的機(jī)器人的上述特點(diǎn)，使得現(xiàn)有技術(shù)中的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法無(wú)法直接應(yīng)用到9自由度的攝影機(jī)器人中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法無(wú)法直接應(yīng)用到9自由度的攝影機(jī)器人中，從而提供一種能夠快速、高效的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法，所述機(jī)器人包括有9個(gè)自由度，在所述機(jī)器人的移動(dòng)關(guān)節(jié)有第一自由度，肩關(guān)節(jié)有第二自由度，肘關(guān)節(jié)有第三自由度，腕關(guān)節(jié)有第四自由度，手關(guān)節(jié)有第五、第六、第七自由度，自轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有第八和第九自由度；該方法包括：

步驟1)、利用用戶提供的所述機(jī)器人的末端手在笛卡兒空間中多個(gè)點(diǎn)上的位置與姿態(tài)的信息，實(shí)現(xiàn)所述機(jī)器人末端手的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與姿態(tài)規(guī)劃，得到機(jī)器人末端手在整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的位置以及機(jī)器人末端手在整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)；

步驟2)、由步驟1)得到的機(jī)器人末端手的位置信息求解某一時(shí)間點(diǎn)所述機(jī)器人從第一自由度到第六自由度的關(guān)節(jié)空間，由步驟1)得到的機(jī)器人末端手的姿態(tài)信息求解所述時(shí)間點(diǎn)上所述機(jī)器人從第七自由度到第九自由度的關(guān)節(jié)空間；所得到的九個(gè)自由度的關(guān)節(jié)空間用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

上述技術(shù)方案中，還包括：

步驟3)、利用步驟2)所得到的所述機(jī)器人在若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的九個(gè)自由度的關(guān)節(jié)空間信息做仿真，根據(jù)仿真結(jié)果從所述若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的九個(gè)自由度的關(guān)節(jié)空間信息中選取較佳值作為控制點(diǎn)。

上述技術(shù)方案中，在所述的步驟1)中，所述的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃包括：

用戶提供的所述機(jī)器人的末端手在笛卡兒空間中多個(gè)點(diǎn)上的位置信息做曲線擬合，得到至少一條運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。

上述技術(shù)方案中，所述的曲線擬合采用B樣條曲線法，或貝塞爾曲線法，或B樣條曲線與貝塞爾曲線結(jié)合的方法。

上述技術(shù)方案中，在所述的步驟1)中，所述的姿態(tài)規(guī)劃包括：

步驟a)、將笛卡兒空間中兩個(gè)已知姿態(tài)信息的相鄰點(diǎn)分別作為起始位置與目標(biāo)位置，將所述起始位置與目標(biāo)位置的姿態(tài)信息由歐拉角的形式修改為四元數(shù)的形式，分別用Q₁和Q₂表示；