[發明專利]一種六自由度機械臂奇異位形的快速判斷方法

有效

• 申請號: 201410474913.7
• 申請日: 2014-09-17
• 公開（公告）號: CN104385283A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 朱齊丹;王欣璐;蔡成濤;張智;夏桂華;林圣琳;原新;王立輝;劉志林
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于機械臂奇異位形判斷領域，具體涉及一種六自由度機械臂奇異位形的快速判斷方法。

背景技術

機械臂的運動學奇異是所有類型機械臂的固有特性，在奇異點附近，雅可比矩陣的行列式會無限趨近于零，由于雅可比矩陣反映了機械臂末端工具速度與各個關節角速度的關系，所以當雅可比矩陣的行列式趨近于零時，采用雅可比矩陣的逆求得的各個關節的角速度會趨近于無窮，在實際的機械臂控制中，要盡量避免這種情況的發生，否則可能會對機械臂關節的驅動電機造成不可逆轉的損壞，因此機械臂奇異位形的分析問題一直是機械臂領域的研究熱點。

機械臂的奇異位形判斷有很多種方法，大部分方法都是通過求取機械臂雅可比矩陣的奇異值來實現的，例如雅可比矩陣的SVD(奇異值)分解、實時估計雅可比矩陣的最小奇異值等。上述方法理論上均可求得雅可比矩陣的奇異值，但運算量卻往往較大，不利于工業機械臂的實時規避奇異控制。

本發明提出的方法針對一類典型的六自由度機械臂，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奇異位形的研究具有很大的意義。本發明提出的奇異位形判斷過程對此類機械臂的奇異位形判斷具有借鑒意義。奇異位形判斷的速度與準確度會直接影響機械臂的實時規避奇異控制，因此對于在運動過程中要實時規避奇異的機械臂來說，奇異位形判斷的速度與準確度將直接決定機械臂規避奇異的能力。

發明內容

本發明的目的是提出一種簡化了機械臂奇異位形的判斷過程，提高了奇異位形的判斷速度的六自由度機械臂奇異位形的快速判斷方法。

本發明的目的是這樣實現的：

(1)從六自由度機械臂的角度編碼器中讀取六個關節的當前角度值θ_i，i＝1～6；

(2)判斷六個關節角θ_i是否都沒超出自身的實際運動范圍，如果都沒有超出實際運動范圍則執行步驟(3)，如果有關節角超出實際運動范圍則判定該關節為奇異點，機械臂停止運動；

(3)判斷第3個關節角θ₃，若tanθ₃＝l₃/l₂，則第3個關節為奇異點，機械臂停止運動；若tanθ₃≠l₃/l₂，則執行步驟(4)；

(4)判斷第2個關節角θ₂，若l₁cosθ₂+l₃sin(θ₂-θ₃)+l₂cos(θ₂-θ₃)+d₁＝0，則第2個關節為奇異點，機械臂停止運動；若l₁cosθ₂+l₃sin(θ₂-θ₃)+l₂cos(_θ2-θ₃)+d₁≠0，則執行步驟(5)，l₁為六自由度機械臂2號坐標系原點與3號坐標系原點之間的距離，l₂為3號坐標系原點與4號坐標系原點之間的距離，l₃為4號坐標系與機械臂腕部點O之間的距離，d₁為1號坐標系z軸與基坐標系z軸之間的距離，θ_i表示機械臂第i個關節轉過的角度；

(5)判斷第5個關節角θ₅，若θ₅＝π/2，則第5個關節為奇異點，機械臂停止運動；若θ₅≠π/2，則判定關節不為奇異點，機械臂繼續運動。

本發明的有益效果在于：

于該問題的其他發明大多數都是通過求取雅可比矩陣的奇異值來實現的，而本發明提出的方法將平面幾何法應用于機械臂奇異位形的判斷中。理論上本發明提出的方法是沒有誤差的，這能夠保證該類六自由度機械臂奇異位形的判斷精度，而且該發明提出的判斷過程相比于求取雅可比矩陣的奇異值要簡單許多，這能夠保證該類六自由度機械臂奇異位形的判斷速度。

附圖說明

圖1是在此類六自由度機械臂各個關節軸上所建立的坐標系的示意圖；

圖2是此類六自由度機械臂的豎直平面投影圖；

圖3是關于本發明中提到的一類六自由度機械臂的奇異位形的判斷流程圖。

具體實施方式