[發明專利]一種六自由度機械臂逆運動學解析求解控制方法

在審

• 申請號: 202110435768.1
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113127989A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 宛敏紅;周維佳;劉曉源;張趙威
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周宇

本發明涉及一種六自由度機械臂逆運動學解析求解控制方法。包括：步驟1：根據機械臂的構型特征參數建立運動學模型；步驟2：給定機械臂末端位姿，根據機械臂的逆運動學求解方法依次求解各關節角度，完成運動位置解算；步驟3：將各關節角度的變化指令輸入給各關節驅動器，驅動控制器控制各個關節的電機轉動使得各個關節角達到目標角度，實現機械臂的軌跡運動控制。本發明針對運動學逆解算法，控制機械臂各個關節運動，使機械臂末端運動符合規劃控制的軌跡要求。

技術領域

本發明屬于機器人運動學解算控制領域，更具體的說是一種六自由度機械臂逆運動學解析求解控制方法。

背景技術

機器人的運動學逆解，是指給定機器人末端笛卡爾空間位置與姿態，求解其關節角度。機器人的運動學逆解是其進行軌跡規劃與運動控制的基礎，解算方法的速度、精度直接決定了機器人運動控制性能。機器人運動學逆解主要的方法有解析法與數值法。解析法可以通過代數表達式直接計算關節角度，簡便高效速度快，是大多數工業機器人運動求解控制采用的方法。數值法是通過數值迭代求解關節角度，計算過程較繁瑣，速度較慢，而且通常不能得到全部解。工業機器人通常選擇腕關節三個軸相交于一點或連續三個軸平行的構型，以獲得解析形式的運動學逆解。

目前工業機器人領域有若干成熟的機器人構型，這些構型的機器人逆解大多都有可參考的算法，但這些構型并不一定適用于所有場合。機器人構型稍作變動，其逆解就會完全不同，因此對特殊構型的機器人，需要研究其運動學逆解的解算問題，從而控制機器人各個關節運動。我國在建的空間站科學手套箱中，布置了一套六自由度機械臂，為了實現最優的操作性能，其構型不同于現有成熟的工業機器人構型，是一種特殊構型，為了實現在軌高效、實時、高精度的運動控制效果，需要對其提出一種運動學逆解的解析求解控制方法。

發明內容

本發明通過提出一種六自由度機械臂逆運動學解析求解控制方法，給出機械臂運動學逆解的代數表達式，達到實現空間站手套箱機械臂的實時高效運動控制的目的。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種六自由度機械臂逆運動學解析求解控制方法，包括以下步驟：

步驟1：根據機械臂的構型特征參數建立運動學模型；

步驟2：給定機械臂末端位姿，根據機械臂的逆運動學求解方法依次求解各關節角度，完成運動位置解算；

步驟3：將各關節角度的變化指令輸入給各關節驅動器，驅動控制器控制各個關節的電機轉動使得各個關節角達到目標角度，實現機械臂的軌跡運動控制。

所述六自由度機械臂的構型包括6個轉動關節，第1個關節為圓弧導軌形成的轉動關節，后5個關節為模塊化轉動關節，關節變量分別為角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅以及θ₆；其中，第2關節的軸線與第1關節的軸線平行，第3關節的軸線與第2關節的軸線垂直，第4關節、第5關節的軸線與第3關節的軸線平行，第6關節的軸線與第5關節的軸線垂直。

所述機械臂的構型特征參數包括：第i個連桿長度a_i、連桿扭角α_i、連桿偏距d_i、關節角θ_i以及各軸坐標系與基坐標系之間的轉換關系。

所述運動學模型為：

根據機械臂的末端坐標系x₆y₆z₆相對于其基坐標系x₀y₀z₀的位姿變換關系由前向運動學方程求得，建立如下方程：

其中，為機械臂末端的位姿在基坐標系中的表示；設已知為：