專利名稱：一種解耦型六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種解耦型六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。從外形來看，它是由一系列剛性連桿通過一系列柔性關(guān)節(jié)交替連接而成的開式鏈結(jié)構(gòu)。在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中，需要根據(jù)給定的機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，求解機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量，這個(gè)求解過程稱為機(jī)器人的操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。機(jī)器人的操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是機(jī)器人離線編程和軌跡規(guī)劃的前提，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。
在進(jìn)行機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解時(shí)，常遇到的一個(gè)問題為其解并非是唯一解。機(jī)器人操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的數(shù)目一般取決于關(guān)節(jié)數(shù)目、連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量的活動(dòng)范圍。對(duì)于全部為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的6自由度機(jī)器人來說，可能多達(dá)16種解，而對(duì)于解耦6自由度機(jī)器人(前三個(gè)關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，后三個(gè)關(guān)節(jié)軸線相交于一點(diǎn))來說最多有8種解。但每個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)最終只能選擇一個(gè)解，因此機(jī)器人的多解現(xiàn)象會(huì)給運(yùn)動(dòng)控制帶來一些問題。運(yùn)動(dòng)學(xué)反解的選擇沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)機(jī)器人實(shí)際結(jié)構(gòu)選取其中最優(yōu)的一組解(如行程最短、功率最省、受力最好、回避障礙等)，建立對(duì)反解值進(jìn)行劃分的規(guī)范。在不考慮避障的情況下，一個(gè)常用的比較合理的選擇是選取“最短行程”的解，即在逆解空間中搜索每個(gè)關(guān)節(jié)變量都最小的一組解，相應(yīng)可采用的搜索計(jì)算式為Min丨)2+ ( Θ 6_θ6，)2}其中，θ: θ6表示求出的多組反解，Θ/ θ6'表示各組解的平均值。在沒有障礙物時(shí)，搜索到的最優(yōu)逆解就是關(guān)節(jié)空間中最接近運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)的逆解。也常有人采用“多移動(dòng)小關(guān)節(jié)、少移動(dòng)大關(guān)節(jié)”的原則，在六軸機(jī)器人中，大關(guān)節(jié)一般指前三個(gè)關(guān)節(jié)，小關(guān)節(jié)一般指后三個(gè)關(guān)節(jié)，因此在逆解空間中選取前三個(gè)關(guān)節(jié)變量小、后三個(gè)關(guān)節(jié)變量大的一組逆解，可用下式進(jìn)行判斷(各變量意義與上式中相同)Max{(| θ4-θ4 ' | + |θ5_θ5 ' + I θ 6_ 6 ' I)/
(I θ 1_ θ / I + I θ 2_ θ 2' I + I θ 3_ θ 3' ) }可以看出，現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法的算法都比較復(fù)雜，因此具有運(yùn)算量大、實(shí)現(xiàn)不易的缺點(diǎn)。在CN200810106444. 8的專利申請(qǐng)中，公開了一種六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)CORDIC算法協(xié)處理器及其相應(yīng)的處理方式，其中通過采用CORDIC算法替代了傳統(tǒng)的通過計(jì)算大量超越方程才能完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解計(jì)算，使大量的超越方程計(jì)算過程簡(jiǎn)化為只需要通過加法、減法、和移位等這些硬件便于實(shí)現(xiàn)的操作，從而大大提高了協(xié)處理器的計(jì)算速度；然而，其協(xié)處理器包括運(yùn)算模塊、邏輯模塊及大量輸入輸出接口，雖然算法簡(jiǎn)單但實(shí)現(xiàn)較繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種解耦型六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，該方法具有可預(yù)知過奇異點(diǎn)路徑、算法簡(jiǎn)單、反解速度快，以及能較好地確定唯一解等優(yōu)點(diǎn)，并能很好地應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中。按照本發(fā)明，提供了一種解耦型六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，該六自由度工業(yè)機(jī)器人包括底座、腰部回轉(zhuǎn)部件、大臂、小臂、手腕部件和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并通過第一關(guān)節(jié)完成機(jī)器人腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過第二、第三關(guān)節(jié)分別執(zhí)行大臂和小臂的俯仰動(dòng)作，以及通過第四至第六關(guān)節(jié)共同執(zhí)行末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位姿操作，所述方法包括下列步驟(a)根據(jù)對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需實(shí)現(xiàn)的位置和姿態(tài)，通過D-H模型法獲得末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿矩陣7 :
權(quán)利要求
1.一種解耦型六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，該六自由度工業(yè)機(jī)器人包括底座、腰部回轉(zhuǎn)部件、大臂、小臂、手腕部件和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并通過第一關(guān)節(jié)完成機(jī)器人腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過第二、第三關(guān)節(jié)分別執(zhí)行大臂和小臂的俯仰動(dòng)作，以及通過第四至第六關(guān)節(jié)共同執(zhí)行末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位姿操作，所述方法包括下列步驟 Ca)根據(jù)對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需實(shí)現(xiàn)的位置和姿態(tài)，通過D-H模型法獲得末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿矩陣P
2.如權(quán)利要求I所述的運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，所述反變換法求解機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變量的過程具體包括以下步驟 (cl)根據(jù)表達(dá)式Θ ^Atar^by, px),求出關(guān)于關(guān)節(jié)變量Θ :的兩個(gè)解,并依照所設(shè)定的所述關(guān)節(jié)特征參數(shù)cfgl，從這兩個(gè)解中獲得關(guān)于關(guān)節(jié)變量Θ ,的唯一解； (c2)利用步驟(Cl)所求得的關(guān)于關(guān)節(jié)變量Θ i的唯一解，并根據(jù)以下表達(dá)式組求出關(guān)于關(guān)節(jié)變量Θ 3的兩個(gè)解，并依照所設(shè)定的所述關(guān)節(jié)特征參數(shù)Cfg2，從這兩個(gè)解中獲得關(guān)于關(guān)節(jié)變量Θ 3的唯一解
全文摘要
本發(fā)明公開了一種解耦型六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法，該方法包括(a)根據(jù)機(jī)器人所需實(shí)現(xiàn)的位姿，通過D-H模型法獲得末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿矩陣；(b)將機(jī)器人避開奇異形位時(shí)所能實(shí)現(xiàn)的正常位姿定義為不同的關(guān)節(jié)特性屬性，并設(shè)定機(jī)器人實(shí)現(xiàn)所需的位姿時(shí)的關(guān)節(jié)特征屬性組合；(c)根據(jù)位姿矩陣以及設(shè)定的關(guān)節(jié)特征屬性組合及其取值條件，通過反變換法分別求得關(guān)于機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變量的唯一解；(d)根據(jù)所求得的解，執(zhí)行對(duì)六自由度工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)完成整體運(yùn)動(dòng)控制過程。通過本發(fā)明，具備可預(yù)知過奇異點(diǎn)路徑、算法簡(jiǎn)單、反解速度快以及能較好地確定唯一解等優(yōu)點(diǎn)，并能很好地應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。
文檔編號(hào)B25J13/00GK102785248SQ20121025537
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者葉伯生, 唐小琦, 宋寶, 沈雅瓊, 熊爍, 郭顯金 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)