[發(fā)明專利]一種六自由度工業(yè)機器人通過奇異域的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410103094.5
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103909522A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張鐵;黃曉霞
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

1.一種六自由度工業(yè)機器人通過奇異域的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、對六自由度工業(yè)機器人進行運動學(xué)分析，利用離線仿真軟件對六自由度工業(yè)機器人進行笛卡爾空間的運動軌跡規(guī)劃；

步驟2、將步驟1中所述的運動軌跡中各個插值點的坐標值及其姿態(tài)進行運動學(xué)逆解，得到各插值點處六自由度工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)的角位移關(guān)節(jié)變量、角速度關(guān)節(jié)變量和角加速度關(guān)節(jié)變量；

步驟3、對六自由度工業(yè)機器人進行奇異域的設(shè)置，對步驟2中所述的各插值點處各關(guān)節(jié)變量進行計算，并判別該插值點是否位于奇異域內(nèi)，若位于奇異域內(nèi)，則進一步判別奇異位形的種類；

步驟4、將步驟3中所述的位于奇異域內(nèi)的運動軌跡進行關(guān)節(jié)空間的重新規(guī)劃，構(gòu)造帶有拋物線擬合的線性過渡函數(shù)，實現(xiàn)各關(guān)節(jié)角位移及角速度的平滑過渡，使六自由度工業(yè)機器人通過奇異域。

2.如權(quán)利要求1所述的六自由度工業(yè)機器人通過奇異域的方法，其特征在于，所述步驟1包括以下步驟：

步驟A、對六自由度工業(yè)機器人建立D-H坐標系，并根據(jù)D-H坐標系及其參數(shù)計算得到工業(yè)六自由度工業(yè)機器人的各變換矩陣，對所述的變換矩陣進行運動學(xué)順解及逆解分析；

步驟B、對笛卡爾空間的運動軌跡進行初步規(guī)劃，使所述笛卡爾空間的運動軌跡的加速和減速的時間相等，并對指定的空間路徑進行離散插值，獲得各個離散插值點處的笛卡爾空間的位置和姿態(tài)，所述笛卡爾空間的運動軌跡的末端速度采用梯形法進行規(guī)劃。

3.如權(quán)利要求1所述的六自由度工業(yè)機器人通過奇異域的方法，其特征在于，所述步驟3包括以下步驟：

步驟Ⅰ、對六自由度工業(yè)機器人進行雅克比矩陣分析，六自由度工業(yè)機器人的奇異位形分為前臂內(nèi)部奇異、邊界奇異和腕部奇異；設(shè)以腕部為參考點的雅可比矩陣為J_w，根據(jù)雅可比矩陣的定義，計算出腕部為參考點的雅可比矩陣：

Jw=z1×(pw-p1)...03×103×103×1z1zn-3zn-2zn-1=J1103×3J21J22,]]>

其中，J₁₁，J₂₁，J₂₂為雅可比矩陣的分塊矩陣；

六自由度工業(yè)機器人奇異形位分為邊界奇異、前臂內(nèi)部奇異和腕部奇異，對應(yīng)于det(J₁₁)=0和det(J₂₂)=0的情況，即：

det(J11)=a2×(a3·s3+d4·c3)×(a3·c23-d4·s23+a2·c2+a1)det(J22)=-s5,]]>

由det(J₁₁)=0得：sing1={θ∈R⁶|a₃·s₃+d₄·c₃=0}，

sing2={θ∈R⁶|a₂·c₂₃-d₄·s₂₃+a₂·c₂+a₁=0}，

式中：sing1為邊界奇異；sing2為前臂內(nèi)部奇異；

由det(J22)=0得：sing3={θ∈R⁶|-s₅=0}，即：θ₅=0°，

式中：sing3為腕部奇異；

得到六自由度工業(yè)機器人的奇異形位為：

sing={sing1∪sing2∪sing3}；

對邊界奇異的區(qū)域、前臂內(nèi)部奇異的區(qū)域和腕部奇異的區(qū)域進行參數(shù)設(shè)置，前臂內(nèi)部奇異域的判別因子、邊界奇異域的判別因子和腕部奇異域的判別因子分別設(shè)置為ε₁、ε₂和ε₃；

步驟Ⅱ、六自由度工業(yè)機器人是否進入奇異域由奇異因子參數(shù)k₁、k₂和k₃來確定，前臂內(nèi)部奇異的奇異因子、邊界奇異的奇異因子和腕部奇異的奇異因子分別為k₁、k₂和k₃，其中，k₁、k₂和k₃的值由步驟2所述的各插值點處的各關(guān)節(jié)變量及六自由度工業(yè)機器人的相關(guān)參數(shù)計算得出：

內(nèi)部奇異因子k₁的計算公式為：k₁=a₃·c₂₃-d₄·s₂₃+a₂·c₂+a₁,

邊界奇異因子k₂的計算公式為：k₂=a₃·s₃+d₄·c₃，

腕部奇異因子k₃的計算公式為：k₃=s₅，

式中：

c₂₃=cos(θ₂)·cos(θ₃)-sin(θ₂)·sin(θ₃)，

s₂₃=cos(θ₂)·sin(θ₃)+sin(θ₂)·cos(θ₃)，

c₂=cos(θ₂)，

s₂=sin(θ₂)，

c₃=cos(θ₃)，

s₃=sin(θ₃)，

s₅=sin(θ₅)，

其中，θ₂、θ₃和θ₅分別為六自由度工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)二、關(guān)節(jié)三和關(guān)節(jié)五的關(guān)節(jié)變量，a₁、a₂、a₃和d₄為六自由度工業(yè)機器人的連桿參數(shù)：a₁、a₂和a₃分別為連桿一的連桿長度、連桿二的連桿長度和連桿三的連桿長度，d₄為關(guān)節(jié)三和關(guān)節(jié)四之間的關(guān)節(jié)距離；

步驟Ⅲ、將步驟Ⅱ所述的奇異因子k₁、k₂和k₃與設(shè)置的相應(yīng)奇異域的判別因子ε₁、ε₂和ε₃進行比較，當|k₁|<ε₁時，六自由度工業(yè)機器人位于內(nèi)部奇異位形；當|k₂|<ε₂時，六自由度工業(yè)機器人位于邊界奇異位形；當|k₃|<ε₃時，六自由度工業(yè)機器人位于腕部奇異位形。