專利名稱：九自由度機器人的運動驅(qū)動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機器人運動控制學，特別涉及一種九自由度機器人的運動驅(qū)動方法。
技術背景
隨著科學技術與生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，機器人在各個領域的應用更為廣泛，如在大的汽車生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)車間中，機器人的應用隨處可見。在多數(shù)情況下，人們需要機器人能夠完成所指定的動作，如汽車生產(chǎn)過程中的焊接，這種用于研究機器人如何運動的學科被稱為機器人運動學。機器人運動學可分兩類正向和逆向。正向運動學所要解決的問題是已知機器人的關節(jié)空間Q( θ ) = [θ17 θ2，…，θ η]，求機器人末端位置和姿態(tài)。逆向運動學所要解決的問題是已知機器人末端位置和姿態(tài)，求其關節(jié)空間。與正向運動學相比，逆向運動學的解并非唯一，且其求解過程更為復雜。
在現(xiàn)有技術中，已經(jīng)提出了多種逆向運動學的求解方法，如在參考文獻1 “先進機器人控制，譚民，教育出版社，2007年5月”中所提到的投影法、解析法。這些方法在現(xiàn)有的 6自由度工業(yè)機器人(也被稱為完全自由度機器人，該機器人上的關節(jié)類似于人體的腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié))中已經(jīng)得到了應用，工業(yè)機器人也正是依賴于這些方法才能快速、精確地完成機械動作。
現(xiàn)如今，除了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)領域，在攝影領域中應用機器人也已經(jīng)成為可能。帶有攝像頭的機器人在一些特殊場景中，如危險性很高的場景，有著廣泛的應用前景。而且由機器人完成攝像動作與人工相比也有平穩(wěn)、不易發(fā)生抖動等優(yōu)點。但考慮到攝影行業(yè)從業(yè)人員，如導演，不太可能具有機器人控制的相關知識，因此應用于攝影領域的機器人需要向用戶提供一個簡單、易操作的接口，用戶通過該接口輸入有限信息后，機器人應當能夠根據(jù)這些信息在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的動作，實現(xiàn)預定的姿態(tài)。例如，導演在一個觸摸屏上輸入幾個要求攝像機鏡頭到達的關鍵點以及攝像機到達這些關鍵點的時間，機器人應當就能夠根據(jù)這些信息帶動攝像頭實現(xiàn)相應的軌跡，并且進一步生成要完成上述軌跡的關節(jié)空間。此外，由于運動空間的限制，完全自由度的6自由度機器人不能滿足攝像機器人的空間需求。譬如繞鏡頭的無限旋轉(zhuǎn)等操作不能通過6個自由度實現(xiàn)，所以為了滿足攝像過程中繞自身的旋轉(zhuǎn)和特殊的拍攝需求需要在攝像機器人的腕關節(jié)后添加了 2個自由度，并且在所有關節(jié)前添加了一個滑動自由度以增加機器人的運動空間。因此攝像機器人需要采用9 自由度的機器人。
正是因為攝影領域中的機器人的上述特點，使得現(xiàn)有技術中的逆向運動學求解方法無法直接應用到9自由度的攝影機器人中。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的逆向運動學求解方法無法直接應用到9自由度的攝影機器人中，從而提供一種能夠快速、高效的機器人運動驅(qū)動方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種機器人的運動驅(qū)動方法，所述機器人包括有9個自由度，在所述機器人的移動關節(jié)有第一自由度，肩關節(jié)有第二自由度，肘關節(jié)有第三自由度，腕關節(jié)有第四自由度，手關節(jié)有第五、第六、第七自由度，自轉(zhuǎn)關節(jié)有第八和第九自由度；該方法包括
步驟1)、利用用戶提供的所述機器人的末端手在笛卡兒空間中多個點上的位置與姿態(tài)的信息，實現(xiàn)所述機器人末端手的運動軌跡規(guī)劃與姿態(tài)規(guī)劃，得到機器人末端手在整個驅(qū)動過程中的位置以及機器人末端手在整個驅(qū)動過程中的姿態(tài)；
步驟2、、由步驟1)得到的機器人末端手的位置信息求解某一時間點所述機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間，由步驟1)得到的機器人末端手的姿態(tài)信息求解所述時間點上所述機器人從第七自由度到第九自由度的關節(jié)空間；所得到的九個自由度的關節(jié)空間用于驅(qū)動機器人的運動。
上述技術方案中，還包括
步驟；3)、利用步驟i)所得到的所述機器人在若干個時間點上的九個自由度的關節(jié)空間信息做仿真，根據(jù)仿真結果從所述若干個時間點上的九個自由度的關節(jié)空間信息中選取較佳值作為控制點。
上述技術方案中，在所述的步驟1)中，所述的運動軌跡規(guī)劃包括
用戶提供的所述機器人的末端手在笛卡兒空間中多個點上的位置信息做曲線擬合，得到至少一條運動軌跡曲線。
上述技術方案中，所述的曲線擬合采用B樣條曲線法，或貝塞爾曲線法，或B樣條曲線與貝塞爾曲線結合的方法。
上述技術方案中，在所述的步驟1)中，所述的姿態(tài)規(guī)劃包括
步驟a)、將笛卡兒空間中兩個已知姿態(tài)信息的相鄰點分別作為起始位置與目標位置，將所述起始位置與目標位置的姿態(tài)信息由歐拉角的形式修改為四元數(shù)的形式，分別用 Q1禾口 ％表示；
步驟b)、求取所述起始位置與目標位置間任意時刻下的姿態(tài)，即Qn = Q^(Q2-Q1) X (Vt1)；
步驟c)、將步驟b)求得的姿態(tài)轉(zhuǎn)換回歐拉角形式。
上述技術方案中，所述的步驟幻包括
步驟2-1)、從步驟1)所得到的整個驅(qū)動過程中的位置信息與姿態(tài)信息中選取若干個時間點上的位置信息與姿態(tài)信息；
步驟2_2~)、將步驟2-1)所得到的所述若干個時間點上的位置信息分別代入梯度投影法的計算公式，得到該若干個時間上各自的所述機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間；
步驟2- 、由步驟2_2~)計算得到的所述機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間，以及步驟2-1)所得到的所述若干個時間點上的姿態(tài)信息計算出姿態(tài)的調(diào)整量，由姿態(tài)的調(diào)整量計算出所述若干個時間點上各自的所述機器人從第七自由度到第九自由度的關節(jié)空間。
上述技術方案中，在所述的步驟2_2~)中，所述的梯度投影法的計算公式為
權利要求
1.一種機器人的運動驅(qū)動方法，所述機器人包括有9個自由度，在所述機器人的移動關節(jié)有第一自由度，肩關節(jié)有第二自由度，肘關節(jié)有第三自由度，腕關節(jié)有第四自由度，手關節(jié)有第五、第六、第七自由度，自轉(zhuǎn)關節(jié)有第八和第九自由度；該方法包括步驟1)、利用用戶提供的所述機器人的末端手在笛卡兒空間中多個點上的位置與姿態(tài)的信息，實現(xiàn)所述機器人末端手的運動軌跡規(guī)劃與姿態(tài)規(guī)劃，得到機器人末端手在整個驅(qū)動過程中的位置以及機器人末端手在整個驅(qū)動過程中的姿態(tài)；步驟2、、由步驟1)得到的機器人末端手的位置信息求解某一時間點所述機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間，由步驟1)得到的機器人末端手的姿態(tài)信息求解所述時間點上所述機器人從第七自由度到第九自由度的關節(jié)空間；所得到的九個自由度的關節(jié)空間用于驅(qū)動機器人的運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，還包括步驟幻、利用步驟2、所得到的所述機器人在若干個時間點上的九個自由度的關節(jié)空間信息做仿真，根據(jù)仿真結果從所述若干個時間點上的九個自由度的關節(jié)空間信息中選取較佳值作為控制點。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，在所述的步驟1) 中，所述的運動軌跡規(guī)劃包括用戶提供的所述機器人的末端手在笛卡兒空間中多個點上的位置信息做曲線擬合，得到至少一條運動軌跡曲線。
4.根據(jù)權利要求3所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，所述的曲線擬合采用B 樣條曲線法，或貝塞爾曲線法，或B樣條曲線與貝塞爾曲線結合的方法。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，在所述的步驟1) 中，所述的姿態(tài)規(guī)劃包括步驟a)、將笛卡兒空間中兩個已知姿態(tài)信息的相鄰點分別作為起始位置與目標位置， 將所述起始位置與目標位置的姿態(tài)信息由歐拉角的形式修改為四元數(shù)的形式，分別用A和 Q2表不；步驟b)、求取所述起始位置與目標位置間任意時刻下的姿態(tài)，即Qn = Q^(Q2-Q1) X (Vt1)；步驟C)、將步驟b)求得的姿態(tài)轉(zhuǎn)換回歐拉角形式。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，所述的步驟2)包括步驟2-1)、從步驟1)所得到的整個驅(qū)動過程中的位置信息與姿態(tài)信息中選取若干個時間點上的位置信息與姿態(tài)信息；步驟2-2~)、將步驟2-1)所得到的所述若干個時間點上的位置信息分別代入梯度投影法的計算公式，得到該若干個時間上各自的所述機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間；步驟2- 、由步驟2-2~)計算得到的所述機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間，以及步驟2-1)所得到的所述若干個時間點上的姿態(tài)信息計算出姿態(tài)的調(diào)整量，由姿態(tài)的調(diào)整量計算出所述若干個時間點上各自的所述機器人從第七自由度到第九自由度的關節(jié)空間。
7.根據(jù)權利要求6所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，在所述的步驟2-2)中， 所述的梯度投影法的計算公式為d = ]+X + α(Ι - J+J)(P;上述公式中，0表示關節(jié)速度，J是雅克比矩陣，J+是J的偽逆矩陣，義是所述位置對時間的一階導數(shù)，φ為自由向量的集合，α代表放大系數(shù)；其中，φ(θ) =PlL(B) + βκφΓ3π；β W, β D, β !^為加權系數(shù)，它們是一個值在W，l]的數(shù)； W為可操作度函數(shù)，1W = Vdet (JJt);D( θ )為避障函數(shù)，Dii(B) = · 2η(^(θ)~5;)' )(·θ) ~d°, θ代表關節(jié)空間中的某(0, Clij(G) > d0一姿態(tài)，i代表膠囊狀的包圍盒的編號，j代表障礙物的編號，Citl代表安全距離的閾值，η為一系數(shù)；L(e)為關節(jié)約束函數(shù)，L(e) s^SIUC^^;)2 ^i= (0imax+eimin)/2 為各關節(jié)允許范圍的中值，Qimax表示第i個關節(jié)角度最大的值，θωη表示第i個關節(jié)角度最小的值，η為關節(jié)數(shù)；(Prail為一個 9 維向量，(Prail = [1 0 0 ...O];α = (λ-νφτ(θ)Ι+χ)/[νφτ(θ)(Ι - J+J)V9(0)];入表示dt ’▽表示梯度值。
8.根據(jù)權利要求6所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，所述的步驟2-3)包括步驟2-3-1)、由步驟2-2~)計算得到的所述機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間計算出某一時刻的姿態(tài)隊，由步驟1)的姿態(tài)規(guī)劃所生成的姿態(tài)信息得到在目標位置的姿態(tài)為&，計算機器人末端手從某一時刻到目標位置所需要調(diào)整的姿態(tài)R R — R^ R2步驟2-3- 、利用旋轉(zhuǎn)變換求取等效轉(zhuǎn)軸； R⑴=Rot(f, 0t)“fxfxvers0t + cos0t fyfxvers0t — fzsin0t fzfxvers0t + fysin0t 0" _ fyfxvers0t + fzsin0t fyfyvers0t + cos9t fzfyvers9t — fxsin0t 0 fzfxvers0t - fysin0t fyfzvers0t + fxsin0t fzfzvers0t + cos9t 0 0 0 0 1-fxfyfz為笛卡兒空間旋轉(zhuǎn)變換的等效轉(zhuǎn)軸，對應機器人末端手的第七、第八、第九自由度；θ t為時間t下姿態(tài)隊與&的角度差；vers θ t = 1-cos θ t ；步驟2-3- 、由等效轉(zhuǎn)軸求取機器人相對于初始姿態(tài)的調(diào)整量，即第七、第八、第九自由度的關節(jié)空間。
9.根據(jù)權利要求2所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，所述的步驟幻包括步驟3-1)、利用軸的速度和加速度求PTP運動的仿真結果；步驟3- 、求PTP運動的仿真結果與目標曲線的擬合相似度，根據(jù)擬合相似度從所述若干個時間點上的九個自由度的關節(jié)空間信息中選取較佳值作為控制點。
10.根據(jù)權利要求9所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，所述的步驟3-1)包括步驟3-1-1)、根據(jù)軸的速度和加速度參數(shù)得到機器人的第i個關節(jié)在PTP運動中所需的加速最長時間；
11.根據(jù)權利要求10所述的機器人的運動驅(qū)動方法，其特征在于，所述的步驟3-2)包括步驟3-2-1)、利用自相關的原理求相似程度·9:
全文摘要
本發(fā)明提供一種機器人的運動驅(qū)動方法；該方法包括利用用戶提供的機器人的末端手在笛卡兒空間中多個點上的位置與姿態(tài)的信息，實現(xiàn)機器人末端手的運動軌跡規(guī)劃與姿態(tài)規(guī)劃，得到機器人末端手在整個驅(qū)動過程中的位置以及機器人末端手在整個驅(qū)動過程中的姿態(tài)；由得到的機器人末端手的位置信息求解某一時間點機器人從第一自由度到第六自由度的關節(jié)空間，由得到的機器人末端手的姿態(tài)信息求解時間點上機器人從第七自由度到第九自由度的關節(jié)空間；所得到的九個自由度的關節(jié)空間用于驅(qū)動機器人的運動。采用本發(fā)明的機器人運動驅(qū)動方法，用戶只需要給定機器人末端手在空間中幾個少量的點上的位置和姿態(tài)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人的驅(qū)動，實現(xiàn)簡單，運行高效。
文檔編號B25J9/16GK102528802SQ20101062427
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者劉華俊, 朱登明, 王兆其, 謝斌 申請人:中國科學院計算技術研究所