[發明專利]基于全局坐標系遞次回歸方式的機器人運動學求解方法

在審

• 申請號: 201910022748.4
• 申請日: 2019-01-10
• 公開（公告）號: CN111488654A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 姚海峰;劉偉;鄭曉雯;張蘭勝;吳淼;劉福新;周東旭
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于全局坐標系采用遞次回歸方式的機器人運動學求解方法，其特征在于：所有的數學描述和計算均基于全局坐標系中各關鍵點坐標值實現，全局坐標系內空間矢量由其上兩點表示，矢量方向由第一點指向第二點，點在空間內的變換形式歸結為點沿某一空間矢量移動一給定距離和點以右手螺旋方式繞某一空間矢量旋轉一給定角度兩種類型，這兩種變換可以由相應公式計算出結果。

2.根據權利要求1所述的基于全局坐標系采用遞次回歸方式的機器人運動學求解方法，其特征在于：根據機器人自身結構建立全局坐標系，坐標系原點設定在機器人第1關節軸和第2關節軸交點處，第1關節軸線為坐標系z軸，方向豎直向上，第2關節軸線為坐標系y軸，方向水平向右，坐標系x軸方向由右手規則確定，所有的數學描述和計算均在這一坐標系進行，所有的數學描述和計算均基于各關鍵點空間坐標值實現；在初始位置各關節軸線相對應的單位空間矢量由軸線上兩點坐標表示，起點設定為相應兩關節交點，指向與坐標系xyz三軸之一同向，依機器人自身結構讀取機器人初始位置(各關節參數為0)各關鍵尺寸并標定。

3.根據權利要求1所述的基于全局坐標系采用遞次回歸方式的機器人運動學求解方法，其特征在于：機器人執行端位置和方位由執行端上事先選定的ABC三點在全局坐標系中坐標值表示，A點為執行端頂部特征點，AB連線與z軸平行AC連線與y軸平行，且AB和AC之間距離為一給定值t，這三點給定后在機器人運動學正向和逆向求解過程中在執行端上位置固定，隨著求解進行其坐標值不斷變化。對于機器人正向運動學求解當給定各關節參數值時即可唯一計算出該三點坐標值；對于機器人逆向運動學求解當已知該三點坐標值時即可求出各關節參數值。

4.根據權利要求1和權利要求2所述的基于全局坐標系采用遞次回歸方式的機器人運動學求解方法，其特征在于：首先標定機器人在起始位置即各關節參數值為0時執行端上選定的3點坐標值，當給定各關節參數值求解各關節到位后執行端ABC三點坐標即對機器人進行正向運動學求解的流程自執行端遞次逆向進行，第1步求解倒數第1關節(即執行端所附著關節)動作完成后執行端上3點坐標值，第2步求解倒數第2關節(即執行端)動作完成后執行端上3點坐標值，第3步求解倒數第3關節(即執行端)動作完成后執行端上3點坐標值......，最終得到各關節動作全部到位后執行端上3點坐標值，機器人正向運動學求解完成。

5.根據權利要求1和權利要求2所述的基于全局坐標系采用遞次回歸方式的機器人運動學求解方法，其特征在于：當已知執行端3點最終坐標值逆向求解各關節參數值即對機器人進行逆向運動學求解時，首先尋找求解關鍵點，該關鍵點為第5關節與第6關節軸線交點，接下來具體求解流程分為以下步驟：

步驟1、按照事先讀取的關鍵尺寸將ABC三點沿AB方向移動使得A點與5、6關節軸線交點重合，計算出此時ABC三點坐標值；

步驟2、觀察此時機器人結構俯視圖可以發現當關節1參數值為0時無論其他幾個關節參數值為何值5、6關節軸線交點y坐標值均為固定值，而關節1繞軸為z軸，因此結合第1步計算所得A點坐標x和y值即可計算出第1關節參數值θ₁，根據點繞空間軸旋轉計算公式將此時的ABC三點繞關節1繞軸旋轉-θ₁得到關節1回歸原位后的ABC三點坐標并為下步計算做好準備；

步驟3、觀察此時機器人結構主視圖可以發現此時關節2、3、4繞軸在主視圖中均為點，關節2繞軸點與原點O重合，關節3繞軸點定為E點，關節4繞軸點定為D點，可知此時的ABC三點與D具有特定的關聯關系，進而可以計算出此時D點坐標值，由于OE和ED之間距離為機器人固定結構尺寸，因此可以進一步計算出此時E點坐標值，計算出E點坐標值即可計算出第2關節參數值θ₂，根據點繞空間軸旋轉計算公式將此時的ABCD四點繞關節2繞軸旋轉-θ₂得到關節2回歸原位后的ABCD四點坐標并為下步計算做好準備；

步驟4、由此時D點坐標值即可計算出第3關節參數值θ₃，根據點繞空間軸旋轉計算公式將此時的ABC三點繞關節3繞軸旋轉-θ₃得到關節3回歸原位后的ABC三點坐標并為下步計算做好準備；

步驟5、在此時主視圖內結合此時A點坐標值相對于關節4繞軸點位置即可計算出第4關節參數值θ₄，根據點繞空間軸旋轉計算公式將此時的ABC三點繞關節4繞軸旋轉-θ₄得到關節4回歸原位后的ABC三點坐標并為下步計算做好準備；

步驟6、在此時左視圖內結合此時AB兩點相對位置即可計算出第5關節參數值θ₅，根據點繞空間軸旋轉計算公式將此時的ABC三點繞關節5繞軸旋轉-θ₅得到關節5回歸原位后的ABC三點坐標并為下步計算做好準備；

步驟7、在此時俯視圖內結合此時AC兩點相對位置即可計算出第6關節參數值θ₆。