[發明專利]一種六自由度工業機器人通過奇異域的方法

有效

• 申請號: 201410103094.5
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103909522A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 張鐵;黃曉霞
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蔡茂略

技術領域

本發明涉及一種六自由度工業機器人軌跡規劃中奇異域通過技術，特別涉及一種六自由度工業機器人通過奇異域的方法。

背景技術

奇異位形是機器人機構的一個重要的運動學特性，它是指機械手的工作空間中，手部參考點不能實現沿任意方向的微小位移或轉動時相應的機械手位形。奇異是機器人的固有性質，奇異的存在容易造成機械臂的振動和沖擊，因此分析和研究機器人奇異問題和奇異域的通過方法是非常重要的。工業機器人的奇異主要分為姿態奇異與位置奇異兩種。目前對工業機器人奇異問題的處理方法主要有以下幾種：通過預測奇異位形可能出現的位置而回避奇異位形；利用降秩雅克比矩陣求偽逆解而得到運動學近似逆解；以協調控制法回避機械手末端姿態奇異位形。（1）回避機器人的奇異位形。通過預測奇異位形可能出現的位置而回避奇異位形。然而當機器人的幾何結構比較復雜時，就會產生極其復雜和不可預測的奇異位形，并且此方法限制了機器人在其工作空間的活動范圍和運動路徑，使得機器人在奇異位形處及其鄰域成了運動軌跡的盲點。（2）利用降秩雅克比矩陣求運動學近似反解。利用矩陣論中的偽逆矩陣理論，通過定義一種偽逆雅克比矩陣，將雅克比矩陣降秩處理，求解近似運動學反解的方法，但是偽逆解意味著從精確解到近似解存在著不連續性，而且在奇異位形附近的關節速度和加速度的偽逆解往往很大，計算方面也很繁瑣。（3）以協調控制法回避機械手奇異位形。末端手部姿態只與(θ₄+θ₆)有關，因此在保持(θ₄+θ₆)不變的情況下,讓θ₄和θ₆按相反的方向轉一定的角度，而關節5的軸線方向就隨著變化,這樣就使得機器人的雅克比矩陣J(q)≠0,從而避開了奇異形位，但是此方法只能解決姿態奇異現象，在協調運動過程中會在奇異位形處停留一段時間，且存在協調運動前后關節速度會出現不連續現象的問題。由此可見，現有技術主要有以下缺點與不足之處：

1、回避機器人奇異位形的方法，限制了機器人在其工作空間的活動范圍和運動路徑，使得機器人在奇異位形處及其鄰域成了運動軌跡的盲點。

2、降秩雅克比矩陣求運動學近似反解的方法，意味著從精確解到近似解存在著不連續性，而且在奇異位形附近的關節速度和加速度的偽逆解往往很大，計算方面也很繁瑣。

3、協調運動法，只能解決姿態奇異現象，且在協調運動過程中在奇異位形處有停留，協調運動前后關節速度不連續而導致運行不穩定。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種六自由度工業機器人通過奇異域的方法，該方法克服了工業機器人在工作過程中遇到奇異位形時出現關節角速度突變而運行不穩定的問題，使機器人各關節角位移及角速度進行平滑過渡以通過奇異域。

本發明的目的通過下述技術方案實現：一種六自由度工業機器人通過奇異域的方法，包括以下步驟：

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

步驟2、將步驟1所述的運動軌跡中各個插值點的坐標值及其姿態進行運動學逆解，得到各插值點處六自由度工業機器人各個關節的角位移關節變量、角速度關節變量和角加速度關節變量；

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

步驟4、將步驟3所述的位于奇異域內的運動軌跡進行關節空間的重新規劃，構造帶有拋物線擬合的線性過渡函數，實現各關節角位移及角速度的平滑過渡，使六自由度工業機器人通過奇異域。

所述步驟1包括以下步驟：

步驟A、對六自由度工業機器人建立D-H坐標系，并根據D-H坐標系及其參數計算得工業六自由度工業機器人的各變換矩陣，對所述的變換矩陣進行運動學順解及逆解分析；

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，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劃。

所述步驟3包括以下步驟：