[發明專利]一種冗余機械臂零空間避障規劃方法

在審

• 申請號: 202210333465.3
• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號: CN114800491A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 李通通;楊濤;楊澤林;杜寶森;趙劍;張浩;王燕波
• 申請（專利權）人: 北京精密機電控制設備研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 李晶堯

本發明涉及一種冗余機械臂零空間避障規劃方法，屬于機械臂避障設計領域；利用機械臂零空間的旋轉軸和臂形角的參考平面建立臂型面坐標系AX′Y′Z′；將障礙物進行三維建模，利用機械臂基坐標系BXYZ與障礙物的空間關系，將障礙物向臂型面坐標系AX′Y′Z′的X′Y′平面投影；利用機械臂基坐標系BXYZ與臂型面坐標系AX′Y′Z′的空間關系，將障礙物在機械臂基坐標系BXYZ內的投影轉化到臂型面坐標系AX′Y′Z′的X′Y′平面內；上述三維模型簡化為二維空間后，利用臂形角與障礙物的二維幾何關系進行避障計算；本發明將三維空間簡化為二維空間，包括障礙物的簡化以及避障空間的簡化，計算量大大降低。

技術領域

本發明屬于機械臂避障設計領域，涉及一種冗余機械臂零空間避障規劃方法。

背景技術

冗余機械臂一般是指具有7個關節的串聯型機器人，三維空間具有6個自由度，因此冗余機械臂逆運動學求解具有無窮多解，在機械臂末端位姿不變的情況下，無窮多解構成的空間稱為冗余機械臂的零空間。當機械臂執行任務時，多會關注機械臂末端的位姿精度，為了與周圍環境不發生干涉，冗余機械臂零空間的避障方法顯得尤為重要。

目前冗余機械臂零空間避障方法多采用梯度投影法及其改進方法，主要思想是在機械臂連桿上布置多個點，計算每一點與周圍環境的歐式距離，然后對所有點與周圍環境的歐式距離求導，尋找距離增大的方向。其建模及計算量巨大，計算周期達到秒級以上，這在執行實時任務過程中是不可接受的。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提出一種冗余機械臂零空間避障規劃方法，將三維空間簡化為二維空間，包括障礙物的簡化以及避障空間的簡化，計算量大大降低。

本發明解決技術的方案是：

一種冗余機械臂零空間避障規劃方法，包括：

制作7個關節和基座組成的機械臂，7個關節分別為第一關節、第二關節、……、第七關節；第一關節與基座連接；第二關節、……、第七關節與第一關節依次串聯；設定第一關節、第二關節、……、第七關節的旋轉角度為θ₁、θ₂、……、θ₇；其中，第一關節、第二關節、第三關節為機械臂的肩部；第四關節為機械臂的肘部；第五關節、第六關節、第七關節為機械臂的腕部；

設定第一關節、第二關節、第三關節的軸線相交于S點；第五關節、第六關節、第七關節的軸線相交于W點；第四關節位于原點E′；SE′W所在平面為臂型面；當機械臂末端位姿給定后，臂型面繞SW旋轉；

設定第一關節軸線方向的矢量J_1z與SW組成參考平面SEW，設定臂型面SE′W與參考平面SEW的夾角為臂角

建立臂型面坐標系AX′Y′Z′；建立機械臂基坐標系BXYZ，建立第一障礙物C和第二障礙物D；

將第一障礙物C和第二障礙物D向臂型面坐標系的AX′Y′平面投影；臂型面SE′W與X′軸正方形的夾角記為臂形角此時，機械臂基坐標系BXYZ下的障礙物隨著機械臂的運動在臂型面坐標系AX′Y′Z′中運動；此時尋找臂形角的目標則是臂型面SE′W的在AX′Y′平面投影線AE′與所有障礙物之間的最小距離最大；

建立機械臂DH建模圖；第一關節、第二關節、……、第七關節在DH建模中自動生成各關節的對應坐標系；獲得第七關節相對于機械臂基坐標系的位姿矩陣⁰T₇；

設定⁰x₇為第七關節的位置的表達式、⁰R₇為第七關節的姿態的表達式；計算在機械臂基坐標系BXYZ下S點指向W點的向量⁰x_sw的表達式；