[發(fā)明專利]一種六自由度工業(yè)機(jī)器人通過奇異域的方法

有效

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

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種六自由度工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃中奇異域通過技術(shù)，特別涉及一種六自由度工業(yè)機(jī)器人通過奇異域的方法。

背景技術(shù)

奇異位形是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，它是指機(jī)械手的工作空間中，手部參考點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)沿任意方向的微小位移或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)的機(jī)械手位形。奇異是機(jī)器人的固有性質(zhì)，奇異的存在容易造成機(jī)械臂的振動(dòng)和沖擊，因此分析和研究機(jī)器人奇異問題和奇異域的通過方法是非常重要的。工業(yè)機(jī)器人的奇異主要分為姿態(tài)奇異與位置奇異兩種。目前對(duì)工業(yè)機(jī)器人奇異問題的處理方法主要有以下幾種：通過預(yù)測(cè)奇異位形可能出現(xiàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)近似逆解；以協(xié)調(diào)控制法回避機(jī)械手末端姿態(tài)奇異位形。（1）回避機(jī)器人的奇異位形。通過預(yù)測(cè)奇異位形可能出現(xiàn)的位置而回避奇異位形。然而當(dāng)機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生極其復(fù)雜和不可預(yù)測(cè)的奇異位形，并且此方法限制了機(jī)器人在其工作空間的活動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)路徑，使得機(jī)器人在奇異位形處及其鄰域成了運(yùn)動(dòng)軌跡的盲點(diǎn)。（2）利用降秩雅克比矩陣求運(yùn)動(dòng)學(xué)近似反解。利用矩陣論中的偽逆矩陣?yán)碚?，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(yùn)動(dòng)學(xué)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(xù)性，而且在奇異位形附近的關(guān)節(jié)速度和加速度的偽逆解往往很大，計(jì)算方面也很繁瑣。（3）以協(xié)調(diào)控制法回避機(jī)械手奇異位形。末端手部姿態(tài)只與(θ₄+θ₆)有關(guān)，因此在保持(θ₄+θ₆)不變的情況下,讓?duì)?sub>4和θ₆按相反的方向轉(zhuǎn)一定的角度，而關(guān)節(jié)5的軸線方向就隨著變化,這樣就使得機(jī)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(tài)奇異現(xiàn)象，在協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)在奇異位形處停留一段時(shí)間，且存在協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)前后關(guān)節(jié)速度會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象的問題。由此可見，現(xiàn)有技術(shù)主要有以下缺點(diǎn)與不足之處：

1、回避機(jī)器人奇異位形的方法，限制了機(jī)器人在其工作空間的活動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)路徑，使得機(jī)器人在奇異位形處及其鄰域成了運(yùn)動(dòng)軌跡的盲點(diǎn)。

2、降秩雅克比矩陣求運(yùn)動(dòng)學(xué)近似反解的方法，意味著從精確解到近似解存在著不連續(xù)性，而且在奇異位形附近的關(guān)節(jié)速度和加速度的偽逆解往往很大，計(jì)算方面也很繁瑣。

3、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)法，只能解決姿態(tài)奇異現(xiàn)象，且在協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過程中在奇異位形處有停留，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)前后關(guān)節(jié)速度不連續(xù)而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種六自由度工業(yè)機(jī)器人通過奇異域的方法，該方法克服了工業(yè)機(jī)器人在工作過程中遇到奇異位形時(shí)出現(xiàn)關(guān)節(jié)角速度突變而運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)角位移及角速度進(jìn)行平滑過渡以通過奇異域。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種六自由度工業(yè)機(jī)器人通過奇異域的方法，包括以下步驟：

步驟1、對(duì)六自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用離線仿真軟件對(duì)六自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；

步驟2、將步驟1所述的運(yùn)動(dòng)軌跡中各個(gè)插值點(diǎn)的坐標(biāo)值及其姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，得到各插值點(diǎn)處六自由度工業(yè)機(jī)器人各個(gè)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(duì)六自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行奇異域的設(shè)置，對(duì)步驟2所述的各插值點(diǎn)處各關(guān)節(jié)變量進(jìn)行計(jì)算，并判別該插值點(diǎn)是否位于奇異域內(nèi)，若位于奇異域內(nèi)，則進(jìn)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(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)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(shí)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(jī)器人通過奇異域。

所述步驟1包括以下步驟：

步驟A、對(duì)六自由度工業(yè)機(jī)器人建立D-H坐標(biāo)系，并根據(jù)D-H坐標(biāo)系及其參數(shù)計(jì)算得工業(yè)六自由度工業(yè)機(jī)器人的各變換矩陣，對(duì)所述的變換矩陣進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)順解及逆解分析；

步驟B、對(duì)笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行初步規(guī)劃，使所述笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)軌跡的加速和減速的時(shí)間相等，并對(duì)指定的空間路徑進(jìn)行離散插值，獲得各個(gè)離散插值點(diǎn)處的笛卡爾空間的位置和姿態(tài)，所述笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)軌跡的末端速度采用梯形法進(jìn)行規(guī)劃。

所述步驟3包括以下步驟：