[发明专利]非标数字装备操作机参数化运动学模型库建立方法

说明书

【技术领域】：本发明属于先进制造技术和运动控制技术领域，具体涉及一种非标数字装备运动学参数化通用模型库建立方法。

【背景技术】：非标数字装备操作机是由若干连杆通过转动或移动关节串联而成，可看成一个开式运动链。开链的一端固定在基座上，另一端为末端执行器，用以操作物体，完成各种作业。操作机运动学研究的是各连杆之间运动的几何关系。操作机运动学主要研究两类问题：①正向运动学，即根据各关节变量的值和连杆的几何参数计算末端执行器相对工作站的位姿；②反向运动学，即根据末端执行器的位姿计算相应的关节变量。非标数字装备控制器是非标数字装备系统中最关键、最重要的部分，非标数字装备运动学模型是指非标数字装备操作机运动学正解和逆解，是非标数字装备控制器的基础，直接决定了非标数字装备控制器的应用对象及其互换性。由于非标数字装备操作机结构形式的不同使得其运动学模型呈现多样化。现有的非标数字装备操作机控制器多是专用控制器，为封闭式结构，只能是适用于单一运动学模型的单一控制器，一旦控制结构改变就要重新设计控制器，不具通用性、互换性和可重构能力。

【发明内容】：本发明的目的是克服现有非标数字装备控制器的不足，提供一种非标数字装备参数化运动学模型库建立方法，实现非标数字装备控制器的通用化，使得如自动化专机、生产线、立体仓库、包装机、涂胶机、自动焊机、检测设备、2-3自由度搬运机械手等非标数字装备的控制器具有通用性、互换性和可重构能力。

本发明建立了非标数字装备操作机参数化运动学模型。该模型具备了参数化的特征，满足了非标数字装备操作机控制器具备通用性的要求。该模型库的建立方法是：

(1)构建非标数字装备操作机运动学模型；

(2)将运动学模型建立成一一对应的运动学模型库函数；

(3)自由度、连杆、关节运动副的结构参数可由用户输入并存储在计算机上，作为运动学模型库函数的参数由控制器调用，进而实现非标数字装备操作机的轨迹规划，完成非标数字装备操作机的运动控制。

本发明提供的参数化运动学模型的建立，不是针对某一台非标数字装备操作机，而是针对某一类非标数字装备操作机建立的一种抽象操作机运动学模型。参数输入包括自由度、连杆、关节运动副的参数。在该抽象运动学模型中，自由度数既可能为1个，也可能是2个或3个，任何一个运动关节既可能是移动关节，也可能是旋转关节。用户可以选择操作机运动学模型，并进行自由度、连杆、关节运动副的结构参数输入。如3自由度运动学模型可以选择的结构类型有8种，分别为RRR、RRP、RPR、RPP、PPR、PPP、PRR、PRP(P-表示移动关节，R-表示旋转关节)。

本发明以Denavit-Hartenberg法建立了非标数字装备操作机参数化运动学模型，以Paul等人提出的代数法求解操作机运动学反解，并将运动正反解编写成运动学模型库函数。用户对模型的选择与输入的D-H参数作为参数传递给模型库函数，使运动学模型与特定的操作机分离，能够减少重复建模工作，提高编程效率。

本发明的优点和积极效果：

本发明所提非标数字装备参数化运动学模型库建模方法，实现了运动学模型的通用化。本发明具有以下技术效果：

(1)本发明提出的方法使得非标数字装备控制器具有通用性，根据非标数字装备操作机形式的不同，只须在人机交互界面选择对应的运动学模型并输入D-H参数即可。

(2)当非标数字装备操作机某关节损坏时，控制器可自动识别该关节，并自动选择运动学模型完成任务，具有一定的容错能力。

(3)当非标数字装备操作机结构改变时，只须在选择对应的运动学模型并输入D-H参数即可，应用本方法的控制器拥有可重构能力。

(4)本发明可用于非标数字装备的控制，也可用于其它运动控制系统。

【附图说明】：

图1是连杆的长度及扭角；

图2是关节变量及偏置量；

图3是连杆坐标系的设定；

图4是非标数字装备操作机控制器结构示意图。

【具体实施方式】：

实施例1：

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

为了研究操作机各连杆之间的几何关系，可在每个连杆上固结一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系。用一4×4的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出“手爪坐标系”相对于“参考系”的等价齐次变换矩阵，建立操作机的运动学方程。

1、连杆参数

1).连杆参数

如图1所示，与操作机运动学有关的几何量只有两个：