[發(fā)明專利]四自由度串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解方法和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110341066.7
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113510690B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾遠(yuǎn)帆;唐曉峰;李加寶;殷翔;范文晶;湯日佳;韓銳;張玉鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 上海機(jī)電工程研究所
• 主分類號: B25J9/08
• 分類號: B25J9/08;B25J9/16;B25J17/02;B25J18/02
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明提供了一種四自由度串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解方法和系統(tǒng)，包括建立各連桿坐標(biāo)系、求機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)正解、根據(jù)機(jī)器人末端位姿求解機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角/位移，對關(guān)節(jié)超程錯誤進(jìn)行報警，對機(jī)器人各關(guān)節(jié)進(jìn)行行程約束。本發(fā)明能夠根據(jù)機(jī)器人的位形唯一確定機(jī)器人的逆解，并判斷目標(biāo)位姿的可達(dá)性，能夠根據(jù)期望的機(jī)器人位形求解對應(yīng)的逆解，在多解的情況下實(shí)現(xiàn)逆解可控，有利于進(jìn)行路徑規(guī)劃及避障。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人運(yùn)動學(xué)及機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種四自由度串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)求解問題是機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的重要問題，是研究機(jī)器人軌跡規(guī)劃、運(yùn)動控制、動力學(xué)分析等問題的前提與基礎(chǔ)。機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的求解方法一般分為數(shù)值解法和封閉解法。數(shù)值解法是求解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的通用解法，但由于數(shù)值解法的迭代性質(zhì)，導(dǎo)致其計算量大、求解速度慢，且不能保證求解的精度，更不能保證求出所有可能的運(yùn)動學(xué)逆解。封閉解法即求出機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的解析解，計算速度快、精度高，且能夠求出所有可能的逆解，但封閉解法僅適用于特定構(gòu)型的機(jī)器人，通用性較差。

專利文獻(xiàn)CN111113425A(申請?zhí)枺篊N201911407238.5)公開了一種有寄生運(yùn)動的五自由度串并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解求解方法，所述方法建立一種三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)等效機(jī)構(gòu)，將原串并聯(lián)機(jī)器人轉(zhuǎn)化為由等效機(jī)構(gòu)和兩串聯(lián)關(guān)節(jié)組成的五自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)，設(shè)末端刀具沿基坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)方向自由度為寄生運(yùn)動，令寄生運(yùn)動不參與計算，消減方程數(shù)量，通過解非線性方程組獲得等效關(guān)節(jié)變量及串聯(lián)關(guān)節(jié)驅(qū)動變量與末端刀具位置坐標(biāo)及2個歐拉角的方程，最后利用向量解析法求取等效關(guān)節(jié)變量與三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動變量的關(guān)系。

目前，針對滿足Pieper準(zhǔn)則的六自由度串聯(lián)機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)封閉解法已較為成熟，但該方法無法直接應(yīng)用于四自由度串聯(lián)機(jī)器人。根據(jù)四自由度機(jī)器人的構(gòu)型特點(diǎn)，其運(yùn)動學(xué)逆解也存在多解的情況，且其在操作空間中存在若干特定的運(yùn)動約束條件。因此，為實(shí)現(xiàn)四自由度機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解的快速、精確、可靠，需要研究一種考慮機(jī)器人位形及運(yùn)動約束的逆運(yùn)動學(xué)封閉解法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種四自由度串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解方法和系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的四自由度串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解方法，包括如下步驟：

步驟一：建立各連桿坐標(biāo)系并確定各關(guān)節(jié)的D-H運(yùn)動學(xué)參數(shù)，所述四自由度串聯(lián)機(jī)器人由四個連桿串聯(lián)構(gòu)成四個關(guān)節(jié)，依次為：回轉(zhuǎn)臂-關(guān)節(jié)1、大臂-關(guān)節(jié)2、外節(jié)臂-關(guān)節(jié)3和伸縮臂-關(guān)節(jié)4，其中關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)4為平移關(guān)節(jié)；

步驟二：求機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)正解，得到由各關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)參數(shù)表示的機(jī)器人末端坐標(biāo)系相對于基座坐標(biāo)系的齊次變換矩陣表達(dá)式；

步驟三：根據(jù)輸入的機(jī)器人末端位姿向量，求解對應(yīng)的齊次變換矩陣；

步驟四：根據(jù)末端位置與姿態(tài)的約束條件，判斷輸入的末端位姿是否可達(dá)，若滿足約束條件，則進(jìn)行后續(xù)步驟；否則輸入的末端位姿不可達(dá)，逆解無解；

步驟五：聯(lián)立步驟二所述齊次變換矩陣表達(dá)式和步驟三所述齊次變換矩陣，求解關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)角θ₁；

步驟六：代入步驟五所述求得的θ₁，對步驟二所述齊次變換矩陣表達(dá)式進(jìn)行分離變量處理，獲得關(guān)于關(guān)節(jié)4的位移d₄的一元二次方程，若方程無實(shí)數(shù)解，則輸入的末端位姿不可達(dá)，逆解無解；若方程有實(shí)數(shù)解，則根據(jù)期望的機(jī)器人位形，選擇對應(yīng)解作為關(guān)節(jié)4的位移d₄；

步驟七：代入步驟五所述求得的θ₁和步驟六所述求得的d₄，由步驟二所述齊次變換矩陣表達(dá)式中求得關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)角θ₂的正弦值與余弦值，進(jìn)而求解關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)角θ₂；