[發(fā)明專利]串聯(lián)形式機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)通用求解方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310296056.1
• 申請(qǐng)日: 2013-07-15
• 公開（公告）號(hào): CN103390101A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏延輝;何爽;簡(jiǎn)晟琪;杜振振;王澤鵬;周衛(wèi)祥;李光春;許德新
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F19/00
• 分類號(hào): G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種串聯(lián)形式機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的通用求解方法，特別是綜合了機(jī)器人關(guān)節(jié)的通用建模方法、構(gòu)形平面劃分、構(gòu)形平面匹配的求解方法。

背景技術(shù)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問題是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)問題，而通用、解析形式的串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題一直是機(jī)器人研究中的難題，也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的求解上主要分為兩種方向：解析方法和數(shù)值方法。D-H建模解析方法是解析方法中比較早的方法，但是由于計(jì)算量較大并較復(fù)雜，而且依賴于機(jī)器人的構(gòu)形形式，故這種方法通常是針對(duì)固定的、自由度不多的機(jī)器人構(gòu)形進(jìn)行計(jì)算求解，不具有通用性。采用該方法求解6R形式的通用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問題被專家稱為機(jī)器人領(lǐng)域的“珠穆朗瑪峰”。

近年來，采用旋量和指數(shù)積的方法進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。按照旋量理論，機(jī)器人關(guān)節(jié)的建模可不依賴于機(jī)器人的構(gòu)形形式，但是盡管旋量和指數(shù)積公式提供了一種與關(guān)節(jié)類型無關(guān)的、形式簡(jiǎn)潔的正運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)一形式，并在運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的基礎(chǔ)上可以構(gòu)造出逆運(yùn)動(dòng)學(xué)封閉形式的幾何方法，但是需要將整個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問題分解成若干個(gè)可解的子問題，求解過程比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)的自動(dòng)求解，而且這種求解方法同樣不具有通用性，僅適用于某些形式的機(jī)器人工作構(gòu)形。在數(shù)值方法上較為常用的方法是采用牛頓-拉普松迭代法，根據(jù)建立的正運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得出機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果，但是在計(jì)算時(shí)間和結(jié)果的精確性上很難同時(shí)保證。遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可對(duì)求解進(jìn)行優(yōu)化，避免局部收斂，得出逆運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果，但與迭代方法一樣，在計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度上存在制約性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種快速且精確的串聯(lián)形式機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)通用求解方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括復(fù)雜關(guān)節(jié)分解模塊A、基本關(guān)節(jié)建模模塊B、機(jī)器人關(guān)節(jié)統(tǒng)一形式建模C、工作構(gòu)形平面化處理模塊D、工作構(gòu)形的構(gòu)形平面劃分模塊E、構(gòu)形平面工作空間自動(dòng)求解模塊F、構(gòu)形平面自動(dòng)匹配模塊G、平面構(gòu)形的自動(dòng)求解模塊I。

求解過程如下：

首先將已知的機(jī)器人工作構(gòu)形按照關(guān)節(jié)形式進(jìn)行分解，對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式分解成相應(yīng)的基本關(guān)節(jié)的形式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜關(guān)節(jié)分解模塊A的部分；將所有的機(jī)器人關(guān)節(jié)按照基本運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式通過統(tǒng)一基本關(guān)節(jié)自動(dòng)建模方法建立模型，實(shí)現(xiàn)基本關(guān)節(jié)建模模塊B和機(jī)器人關(guān)節(jié)統(tǒng)一形式建模C的部分；按照機(jī)器人的拓?fù)潢P(guān)系建立機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，按照構(gòu)形平面理論，將工作構(gòu)形分解成若干個(gè)構(gòu)形平面，對(duì)可進(jìn)行平面化處理的工作構(gòu)形進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)工作構(gòu)形的構(gòu)形平面劃分模塊E的部分；對(duì)分解后的構(gòu)形平面采用自動(dòng)求解方法計(jì)算其工作空間，實(shí)現(xiàn)構(gòu)形平面工作空間自動(dòng)求解模塊F的部分；依據(jù)每個(gè)構(gòu)形平面的工作空間，以滿足機(jī)器人末端的位姿矩陣為目標(biāo)，采用空間向量投影的方法進(jìn)行構(gòu)形平面匹配，從而得到連接構(gòu)形平面的關(guān)節(jié)模塊的廣義運(yùn)動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)構(gòu)形平面自動(dòng)匹配模塊G的部分；最后根據(jù)匹配的每個(gè)構(gòu)形平面姿態(tài)和位置要求，對(duì)組成構(gòu)形平面的各個(gè)關(guān)節(jié)的廣義運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)平面構(gòu)形的自動(dòng)求解模塊I部分，進(jìn)而得到所有的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的廣義運(yùn)動(dòng)量，從而完成機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解過程。

對(duì)于機(jī)器人關(guān)節(jié)的自動(dòng)建模，本方法以機(jī)器人單自由度的基本形式關(guān)節(jié)建模技術(shù)為基礎(chǔ)，研究復(fù)雜關(guān)節(jié)模塊和多自由度模塊的建模技術(shù)，通過分解、等效、分類和自動(dòng)識(shí)別等方法處理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的通用建模方法，以此為基礎(chǔ)建立統(tǒng)一的機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式。通過輸入關(guān)節(jié)的相應(yīng)參數(shù)，可自動(dòng)建立任意機(jī)器人關(guān)節(jié)組成的機(jī)器人構(gòu)形運(yùn)動(dòng)學(xué)模型技術(shù)。

對(duì)于工作構(gòu)形的平面化處理，該方法可簡(jiǎn)化機(jī)器人工作構(gòu)形，針對(duì)含有偏置形式的機(jī)器人關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)間采用固定角度連接、多連桿相連等情況進(jìn)行處理，采用虛擬平面和等效處理的方法將工作構(gòu)形進(jìn)行平面處理，減少整個(gè)構(gòu)形平面求解復(fù)雜性。

對(duì)于構(gòu)形平面劃分及工作空間自動(dòng)求解，該方法從單自由度基本模塊的組合入手，找到組合后運(yùn)動(dòng)學(xué)變化規(guī)律，進(jìn)而確定構(gòu)形平面的劃分準(zhǔn)則，并以搖擺運(yùn)動(dòng)形式的關(guān)節(jié)作為構(gòu)形平面劃分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類。對(duì)每類的構(gòu)形平面進(jìn)行分析和分類，建立構(gòu)形工作空間的自動(dòng)求解方法。該方法為構(gòu)形平面的自動(dòng)匹配建立依據(jù)。

對(duì)于構(gòu)形平面的匹配方法，構(gòu)形平面匹配包含姿態(tài)和位置匹配，兩種匹配相互制約，單獨(dú)完成任何一種匹配不能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)形平面的完全匹配，而單獨(dú)調(diào)整任何一種匹配也會(huì)影響另一種匹配的進(jìn)行。通過對(duì)組成工作構(gòu)形的構(gòu)形平面進(jìn)行分析，并以求解構(gòu)形平面工作空間為依據(jù)，確定構(gòu)形平面的位置和姿態(tài)量的分配，以實(shí)現(xiàn)整體匹配目標(biāo)。