[發明專利]一種六自由度非球型手腕機器人逆運動學求解方法

在審

• 申請號: 202011009936.2
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112276940A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 王旭浩;張大衛;趙臣;馬力;孟祥智;康立
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

本發明的一種六自由度非球型手腕機器人逆運動學求解方法，計算精度高、運算速度快效率高，同時，逆解物理意義明確直觀，多解問題解決方便，有利于算法的工程應用。該逆運動學求解方法基于一種六自由度非球型手腕機器人與6R正交球型手腕機器人間的等效變換，為基于雅可比矩陣的數值迭代法提供了可靠的初始值，計算精度高、運算速度快效率高。所求得的機器人運動學逆解物理意義明確直觀，可以利用等效6R正交球型手腕機器人處理多解問題方法解決所述六自由度非球型手腕機器人逆運動學多解問題，有利于算法的工程應用。

技術領域

本發明涉及一種六自由度非球型手腕機器人。特別是涉及一種六自由度非球型手腕機器人逆運動學求解方法。

背景技術

運動學是機器人運動控制和軌跡規劃的基礎，涉及正向運動學和逆向運動學兩個子問題，對于串聯機器人，逆運動學相對復雜，是理論研究的焦點。目前，六自由度串聯機器人逆運動學求解方法主要有：解析法和數值法。其中，解析法要求機器人的構型滿足Pieper準則，即具有3個相鄰關節軸交于一點或者3個相鄰關節軸相互平行，例如6R正交球型手腕機器人手腕部分的3個相鄰關節軸交于一點，機器人末端位置和姿態可以分別看作由前三關節和后三關節決定，各國學者針對這種機器人提出了大量有效的逆運動學求解方法。6R正交球型手腕機器人也被廣泛應用于工業機器人，但是，對于某些特殊的工業應用，例如噴涂，具有非球型手腕的機器人得到了應用。例如，一種具有柔性手腕(專利CN 107379004A)的7回轉副6自由度非球型手腕機器人憑借更大的姿態空間和更高的運動柔性，在噴涂機器人上得到了廣泛應用。

上述7回轉副6自由度非球型手腕機器人由7個依次連接的回轉關節組成，為了避免冗余的出現，在機器人的第5和第6回轉關節之間設置了運動約束，即θ₆＝-θ₅，這種機器人不滿足Pieper準則。對于不滿足Pieper準則串聯機器人的逆運動學，主要有兩種常用的數值迭代算法。第一種基于速度雅可比矩陣，包括牛頓——拉夫森法和阻尼最小二乘法等，第二種算法包括神經網絡算法、遺傳算法和模擬退火法等智能算法將逆運動學問題轉化為極值問題。但是，上述數值迭代算法的缺點是運算效率有待工程驗證，算法對初始值和奇異位姿敏感。另外，對于機器人逆運動學的多解問題也需要進一步研究。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種計算精度高、運算速度快效率高的六自由度非球型手腕機器人逆運動學求解方法。

本發明所采用的技術方案是：一種六自由度非球型手腕機器人逆運動學求解方法，六自由度非球型手腕機器人是由7個依次連接的回轉關節組成，為了避免冗余的出現，在六自由度非球型手腕機器的第5回轉關節和第6回轉關節轉角之間設置了運動約束：θ₆＝-θ₅；逆運動學求解方法包括如下步驟：

1)根據D-H參數法建立所述機器人的連桿坐標系{X_i-Y_i-Z_i}；連桿坐標系{X_i-1-Y_i-1-Z_i-1}到連桿坐標系{X_i-Y_i-Z_i}的變換為：

(1)繞Z_i-1軸旋轉θ_i，使X_i-1軸與X_i軸平行；

(2)沿Z_i-1軸平移d_i，使X_i-1軸與X_i軸重合；

(3)繞X_i軸旋轉α_i，使Z_i-1軸與Z_i軸平行；

(4)沿X_i軸平移a_i，使Z_i-1軸與Z_i軸重合；