[發明專利]一種七自由度協作機器人構型優化綜合方法

有效

• 申請號: 202010632490.2
• 申請日: 2020-07-02
• 公開（公告）號: CN113878571B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 王洪光;潘新安;于海斌;胡明偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 汪海

1.一種七自由度協作機器人構型優化綜合方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：建立七自由度機器人運動學模型及運動學性能評價指標；

步驟二：對七自由度機器人進行構型綜合，將七自由度機器人拆分為“肩肘”和“腕”兩部分，并利用步驟一中的運動學性能評價指標分別對“肩肘”部和“腕”部進行構型綜合，獲得最優的“肩肘”部構型和最優的“腕”部構型，并通過構型優化綜合，將最優的“肩肘”部構型和最優的“腕”部構型分別組合，并對組合后的各種七自由度機器人構型進行評估，獲得最優的七自由度構型；

步驟三：對步驟二中獲得的最優七自由度構型進行尺寸優化，獲得七自由度機器人最優構型參數。

2.根據權利要求1所述的七自由度協作機器人構型優化綜合方法，其特征在于：

步驟一中，首先通過修改的Denavit Hartenberg(DHm)參數化建模方法建立機器人運動學模型，然后通過所述運動學模型及雅克比矩陣，求解結構長度指標和全局性能指標。

3.根據權利要求2所述的七自由度協作機器人構型優化綜合方法，其特征在于：

步驟一中，建立機器人運動學模型過程如下：

七自由度冗余機器人看成由八個連桿和七個關節組成，DHm參數化建模方法通過連桿轉角α_i-1，連桿長度a_i-1，連桿偏距d_i，關節角θ_i四個參數描述連桿的運動特性，其中，連桿轉角α_i-1和連桿長度a_i-1描述連桿i-1本身的運動特性，連桿偏距d_i和關節角θ_i描述連桿i-1和連桿i之間的聯接關系；

坐標系O_i-x_iy_iz_i相對于坐標系O_i-1-x_i-1y_i-1z_i-1的連桿變換通式為：

上式(1)中cθ_i＝cosθ_i，sθ_i＝sinθ_i，cα_i-1 ＝cosα_i-1，sα_i-1 ＝sinα_i-1 ；

七自由度機器人末端的位姿可以通過連桿的齊次變換矩陣連乘獲得：

上式(2)中，分別表示姿態矩陣和位置矩陣；

上述齊次變換矩陣可表示為廣義矢量形式：

上式(3)中，t是6×1矢量，表示機器人末端在笛卡爾坐標系下的位姿信息，矢量p＝(p_x,p_y,p_z)^T和分別表示機器人末端的位置信息和姿態信息；

機器人關節空間速度到機器人笛卡爾空間速度的映射可以通過機器人雅克比矩陣表示

t＝JΘ (4)；

其中J表示機器人的雅克比矩陣，表示機器人關節空間速度，θ_i表示第i個關節的角速度。

4.根據權利要求3所述的七自由度協作機器人構型優化綜合方法，其特征在于：

步驟一中，結構長度指標Q_L計算如下：

上式(5)和(6)中，Q_L為結構長度指標，V表示機器人的可達空間體積，L為機器人連桿的總長度。

5.根據權利要求3所述的七自由度協作機器人構型優化綜合方法，其特征在于：

步驟一中，全局性能指標η計算如下：

上式(7)和(8)中，κ_F表示基于Frobenius(羅貝尼烏斯)范數的雅克比矩陣的條件數，tr(g)表示矩陣的跡，n為雅克比矩陣的維數；

實際計算時，全局性能指標通過離散方法獲得，具體為：

上式(9)中，m為離散點的數值；

當ΔV_i≡ΔV時，上式變成：