[發明專利]一種手腕偏置型6軸機器人實時逆解算法

有效

• 申請號: 202010842411.0
• 申請日: 2020-08-20
• 公開（公告）號: CN111958602B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 宋寶;唐小琦;王國棟;周向東;熊爍;劉永興;鐘靖龍;肖千紅
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

本發明公開了一種手腕偏置型6軸機器人實時逆解算法，本發明在迭代法快速收斂的基礎上，針對普通牛頓?拉夫森迭代法在求解過程中的迭代次數多、奇異位型無法求解的問題，使用改進的高斯?牛頓算法完成計算。并對于迭代算法依賴起始點靠近精確解的問題，引入動態表完成迭代起點的動態提供。在機器人的實際工業應用場合進行測試，驗證了該算法具有較高的實時性和準確性。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種手腕偏置型6軸機器人實時逆解算法。

背景技術

逆運動學作為機器人的軌跡規劃和運動控制的基石，其實時性及精確性是運動分析時的重點關注內容。對于大多數6R機器人，其機械結構符合相鄰三關節相交或平行的要求，因此可使用Pieper準則進行解耦處理，完成解析求解。但隨著機器人研究的發展和噴涂、焊接等應用行業的需求變化，一些不滿足Pieper準則的，如手腕偏置型6R機器人應運而生。

目前國內外對于一般6R機器人的逆解算法研究，大體可分為消元法、迭代法以及智能算法。Raghavan和Roth通過矢量運算構造出14個基礎方程，采用消元法得到了一般6R機器人16組反解上限的結論。Monocha在此基礎上引入了24階矩陣分解，提高了消元法的精度和穩定性。劉松國基于消元法，重新構建基礎方程，將24階矩陣降為16階，消除了8個增根并首次將平均計算時間壓縮至1-2ms級別。但該方法對機器人的DH參數極為敏感，當結構參數(如a1、α1等)為0時，往往導致方法失效。并且在關鍵矩陣R1、R2不可逆或特征值為虛根時，無法繼續進行求解。雖然李寧森等對劉的方法引入了矩陣條件數的概念，并在關鍵矩陣失效的情況下使用Jocabe數值法求解，但這樣的策略導致計算時間增加，最大可達8ms。

在迭代求解方面，傳統的牛頓-拉夫森迭代法通過計算雅各比求逆，進行了迭代求解。但該方法往往存在著矩陣奇異和初始迭代點需靠近精確解的問題，否則無法有效收斂。房立金等基于改進牛頓法和引入四元數插值，避免了歐拉角描述時的奇異問題。Cuong等基于非球形手腕6R機器人的幾何關系，構建了位姿方程然后使用迭代法進程方程求根。黨磊等采用同倫連續法進行大范圍搜索，可以完成所有根求解，但該方法需變換初值而且實時性差，無法滿足在線要求。對于智能算法研究，楊惠珍等基于小生境遺傳算法，引入個體間的歐式距離并進行自適應改進，提高了全局尋優能力和收斂速度。林陽采用多種群遺傳算法協同進化，使用移民算子實現種群信息交換，改善了傳統單種群遺傳算法的收斂能力與局部最優的“早熟”問題，但在計算穩定性和實時性方面仍不能滿足工業應用需求。

發明內容

本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種手腕偏置型6軸機器人實時逆解算法。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：

本發明包括以下步驟：

S1：對機器人各關節建立坐標系，并得連桿參數；改進DH坐標系的連桿變換矩陣表達通式為：

代入DH參數并按照變換矩陣右乘規則，可得末端連桿坐標系{6}到基座標系{0}的變換矩陣如下：

S2：通過多次迭代、修正回歸系數，直至原模型的殘差平方和||r_n||小于誤差ε(ε0)；采用雅各比矩陣J的乘積J^TJ近似代替牛頓法中的二階漢森矩陣H，從而省略了復雜的二階矩陣運算；其基本迭代公式如下：

x_n+1＝x_n-(J^TJ)^-1J^Tr_n (3)

對于6R機器人，定義操作臂的速度雅各比矩陣J(θ)是指從關節速度矢量向操作速度矢量傳遞的廣義傳動比，即