[發明專利]一類六自由度機械臂運動學逆解的快速簡便求法

有效

• 申請號: 201410150282.3
• 申請日: 2014-04-11
• 公開（公告）號: CN103942427B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 朱齊丹;王欣璐;蔡成濤;張智;夏桂華;林圣琳;毛爽;姜軍來;原新;劉志林
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于機械臂逆運動學領域，具體涉及一種一類六自由度機械臂運動學逆解角度估計方法。

背景技術

機械臂逆運動學是已知機械臂末端的位置和姿態來計算各個關節轉過的角度值，是正向運動學問題的反過程，正向運動學問題相對簡單且解唯一，而逆向運動學的求解則相對復雜，可能出現多解或者無解的情況。通常，機械臂連桿的非零參數越多，達到某一特定目標的方式也越多，這些連桿參數取決于機械臂的幾何結構，因此機械臂的結構越復雜，逆運動學的求解則越復雜，對于一個全部為旋轉關節的六自由度機械臂來說，最多可能會出現16種解的情況。針對多解的情況，將機械臂逆運動學的求解方法分為兩大類：封閉解和數值解法。數值解法迭代性質使得求解速度大大減慢，這不利于現代工業機械臂的實時控制，而封閉解則是我們希望得到的，但是并不是任何六自由度機械臂都具有封閉解，只有滿足一定條件的六自由度機械臂才具有封閉解。

Pieper提出了一類具有3個相鄰的軸相交于一點特點的六自由度機械臂，這類機械臂滿足具有封閉解的條件，而本發明提出的方法正是針對此類機械臂，即6個關節均為旋轉關節、且后面3個軸相交于一點的機械臂。工業機械臂大部分屬于此類機械臂，因此對于這類機械臂逆運動解的研究具有很大的意義。本發明提出的求解過程對此類機械臂逆運動學的求解具有借鑒意義。逆運動解的求取速度和準確度會直接影響機械臂的實時控制，對于要執行復雜任務的機械臂來說，逆運動解的求取速度和準確度將直接決定機械臂執行復雜任務的能力。

發明內容

本發明的目的是提出一種應用到幾何結構不同但同屬于一類六自由度機械臂上提高逆運動解的求解速度的一類六自由度機械臂運動學逆解的快速簡便求法。

本發明的目的是通過以下方案實現的：

（1）根據機械臂末端的位置(X,Y,Z)和姿態矩陣來確定后三個關節軸相交點O的坐標(x,y,z)，即機械臂腕部點的位置：

通過測量得知后三個關節軸相交點O與機械臂末端的距離為L，而末端的姿態矩陣是已知的，

RB0=opqrstuvw]]>

姿態矩陣中第一列元素o，r，u依次代表機械臂末端工具坐標系的X軸與機械臂基坐標系的X軸，Y軸，Z軸夾角的余弦，第二列元素p，s，v依次代表機械臂末端工具坐標系的Y軸與機械臂基坐標系X軸，Y軸，Z軸夾角的余弦，第三列元素q，t，w依次代表機械臂末端工具坐標系的Y軸與機械臂基坐標系X軸，Y軸，Z軸夾角的余弦，其中，

x＝X+L·q

y＝Y+L·t，

z＝Z+L·w

確定機械臂腕部點O的坐標(x,y,z)；

（2）利用幾何法求解出前三個關節軸轉過的角度θ_i，i＝1,2,3：

在六個關節軸上建立坐標系，依次為1～6號坐標系，通過類六自由度機械臂的幾何構造解出前三個關節軸轉過的角度θ_i(i＝1,2,3)：

l₃cos(θ₂+θ₃)-l₂sin(θ₂+θ₃)-l₁sinθ₂＝x/cosθ₁-d₁，