[發明專利]教學用多自由度機械手末端位姿測量方法

在審

• 申請號: 201910172802.3
• 申請日: 2019-03-07
• 公開（公告）號: CN109719757A
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 黃用華;胡敏;唐榮江;莊未;胡峻榕;黃美發;鐘艷如;鐘永全;孫永厚
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: B25J19/00
• 分類號: B25J19/00;G09B25/02
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 黃瑋

本發明公開了一種教學用多自由度機械手末端位姿測量方法，①建立多關節機械手的簡化模型，簡化模型基于坐標刻度紙零點即絕對坐標系的原點設置，機械手指末端設為相對坐標系的原點；②三只激光筆固定在相對坐標系原點，兩兩激光筆之間的夾角均相等；③三條激光照射到坐標刻度紙上，測出三個照射點于絕對坐標系下的坐標值，利用3個坐標值和激光筆之間的夾角，運用正弦定理建立三個關于機械手指末端坐標點的約束方程，求解出機械手指末端的坐標值，這個坐標值為機械手指末端在絕對坐標系下的位置點；④、在絕對坐標系和相對坐標系之間建立用三個歐拉角表示的旋轉變換矩陣，此旋轉變換矩陣表示運動過程中每個時刻下機械手指末端的姿態。

技術領域

本發明涉及機械手運動控制技術，具體為一種教學用多自由度機械手末端位姿測量方法。

背景技術

舵機驅動的多自由度機械手是一種低成本的機械裝置，因具有結構簡單、輕便小巧的特點而受到機器人課堂實踐教學的青睞。

舵機驅動的機械手作為一種教學演示器具，受限于成本、體積以及便攜性的要求，其機械手指末端通常沒有安裝位姿測量傳感器，如：多目CCD傳感器、慣性單元等，因此這種機械手的運動控制理論屬開環控制。

教學人員在示教演示機器人運動學、逆運動學相關的教學知識點或學生在開展機械手運動控制實踐時，機械手指末端的位姿主要是通過機械手關節的幾何參數和運動參數推導而出，但這類方法容易受到機械手關節間隙和傳動臂變形等的影響，并且機械手關節數越多，其造成誤差就越大，很難真正確定機械手指末端的實際位姿。

從實驗可驗證性的原則來看，這樣的結果會對機器人課堂教學效果產生一定的影響。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出了一種教學用多自由度機械手末端位姿測量方法。

能夠解決現有技術不足的教學用多自由度機械手末端位姿測量方法，采用坐標刻度紙和三只激光筆作為輔助工具測量多關節機械手的機械手指末端位姿，其測量方式為：

1、建立多關節機械手的簡化模型、絕對坐標系和相對坐標系，所述簡化模型基于坐標刻度紙零點設置，所述坐標刻度紙零點為絕對坐標系的原點，多關節機械手的機械手指末端設為相對坐標系的原點。

2、三只斜向下方的激光筆固定在相對坐標系的原點即機械手指末端，兩兩激光筆之間的夾角通過測量得出。

3、三只激光筆發出的激光照射到坐標刻度紙上，測出三個照射點于絕對坐標系下的坐標值，利用這3個坐標值和激光筆之間的夾角，運用正弦定理可以建立三個關于機械手指末端坐標點的約束方程，求解出機械手指末端的坐標值，這個坐標值為機械手指末端在絕對坐標系下的位置點，也是機械手在運動控制編程中最重要的輸出指令，作為反饋信號輸入控制系統。

4、在絕對坐標系和相對坐標系之間建立一個用三個歐拉角來表示的旋轉變換矩陣，該旋轉變換矩陣用來表示多關節機械手在運動過程中每個時刻下機械手指末端的姿態，這個姿態作為重要的運動編程輸入指令，用于控制多關節機械手按照需要完成的任務去運動，作為反饋機制中的信號輸入給控制部分。

激光筆之間的角度可根據坐標刻度紙的尺寸大小進行調節，確保激光照射在坐標刻度紙上。

常規上，將兩兩激光筆之間的角度均設置為相等。

所述多關節機械手的一種結構包括設于坐標刻度紙零點的豎直臂，所述豎直臂上設置第一轉動臂，所述第一轉動臂上設有第二轉動臂，第二轉動臂上設有第三轉動臂，所述第三轉動臂設有轉動的機械手指。

本發明的有益效果：

1、本發明教學用多自由度機械手末端位姿測量方法在機械手指末端安裝三個激光筆，三個激光筆之間的夾角可以根據底座刻度紙的大小調節，使激光筆發射的激光能完全投影到坐標刻度紙上，投影點的坐標可在坐標刻度紙上直接讀出。