[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

本發明公開了一種適用于關節式機器人的運動學求解方法。首先給出計算空間一點繞空間一單位矢量旋轉給定角度或沿該單位矢量移動一給定距離后坐標值的計算方法。確定全局坐標系，在執行末端上選定三點以其空間坐標值表述位姿。正向求解過程自末端至前端遞次計算各動作完成后三點坐標值；逆向求解過程已知三點坐標值，由空間結構遞次求出各關節參數值，每求出一個關節參數便將其回歸原位并計算回歸后三點坐標值用于下一步計算。本發明所述方法均在全局坐標系中完成，相比于傳統DH方法具有如下優點：不需建立各連桿坐標系；易于發現求解方法，求解思路清晰直觀；求解過程中涉及到的中間變量計算公式簡單不易出錯；適用性更加廣泛。

技術領域

本發明涉及一種關節型機器人運動學求解方法，具體是基于全局坐標系采用遞次回歸方式逐步計算的機器人運動學求解方法。

背景技術

機器人的工作是由控制器指揮的，對應驅動末端位姿運動的各關節參數是需要實時計算的。當機器人執行工作任務時，其控制器根據加工軌跡指令規劃好位姿序列數據，實時運用逆向運動學算法計算出關節參數序列，并依此驅動機器人關節，使末端按照預定的位姿序列運動。

機器人運動學或機構學從幾何或機構的角度描述和研究機器人的運動特性，而不考慮引起這些運動的力或力矩的作用。機器人運動學中有以下兩類基本問題。

一、機器人運動方程的表示問題，即正向運動學問題：對一給定機器人，已知連桿幾何參數和關節變量，欲求機器人末端執行器相對于參考坐標系的位置和姿態。機器人程序設計語言具有按照笛卡爾坐標規定工作任務的能力。物體在工作空間內的位置以及機器人手臂的位置，都是以某個確定的坐標系的位置和姿態來描述的；這就需要建立機器人運功方程。運動方程的表示問題即正向運動學問題屬于問題分析，因此也可以把機器人運動方程的表示問題稱為機器人運動的分析。

二、機器人運動方程的求解問題即逆向運動學問題：已知機器人連桿的幾何參數，給定機器人末端執行器相對于參考坐標系的期望位姿，求機器人能夠達到預期位姿的關節變量。當工作任務由笛卡爾坐標系描述時，必須把上述這些規定變換為一系列能夠由手臂驅動的關節變量。確定手臂位姿的各關節變量的解答，就是運動方程的求解。機器人運動方程的求解問題即逆向運動學問題屬于問題綜合。

1955年Denavit和Hartenberg提出了一種機器人的通用描述方法，用連桿的參數描述機構的運動關系。這種DH方法使用4×4的齊次變換矩陣來描述兩個相鄰連桿之間的空間關系。

機器人機構中所需要的齊次變換矩陣需要對每個關節連桿進行廣義連桿描述，主要采用Craig連桿四參數方法建立各關節連桿的坐標系，坐標系建立過程相對比較復雜繁瑣。

在DH處理方法中把正向運動學計算問題化簡為齊次變換矩陣的運算問題，以此矩陣來描述機器人末端執行器相對于參考坐標系的變換關系。

逆向運動學問題可采用多種方法來進行求解，最常用的方法是代數法、幾何法和迭代法等，其中代數法和幾何法均比較適用于少自由度機器人，且關節之間與要滿足一定條件。

在DH處理方法中逆向運動學計算將正向計算中的齊次變換矩陣和經過處理后的變換矩陣展開，得到幾十個代數關系式，通過觀察這些關系式之間的關系進行求解。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種新的機器人運動學求解方法，適用于關節式機器人，正向和逆向求解均可實現。運用這種方法無須建立復雜的各關節連桿各自坐標系，求解思路更清晰且求解過程不易出錯同時應用也更廣。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：

本發明中所涉及到的所有數學描述和計算均基于全局坐標系實現，首先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。