[发明专利]一种六自由度工业机器人通过奇异域的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种六自由度工业机器人轨迹规划中奇异域通过技术，特别涉及一种六自由度工业机器人通过奇异域的方法。

背景技术

奇异位形是机器人机构的一个重要的运动学特性，它是指机械手的工作空间中，手部参考点不能实现沿任意方向的微小位移或转动时相应的机械手位形。奇异是机器人的固有性质，奇异的存在容易造成机械臂的振动和冲击，因此分析和研究机器人奇异问题和奇异域的通过方法是非常重要的。工业机器人的奇异主要分为姿态奇异与位置奇异两种。目前对工业机器人奇异问题的处理方法主要有以下几种：通过预测奇异位形可能出现的位置而回避奇异位形；利用降秩雅克比矩阵求伪逆解而得到运动学近似逆解；以协调控制法回避机械手末端姿态奇异位形。（1）回避机器人的奇异位形。通过预测奇异位形可能出现的位置而回避奇异位形。然而当机器人的几何结构比较复杂时，就会产生极其复杂和不可预测的奇异位形，并且此方法限制了机器人在其工作空间的活动范围和运动路径，使得机器人在奇异位形处及其邻域成了运动轨迹的盲点。（2）利用降秩雅克比矩阵求运动学近似反解。利用矩阵论中的伪逆矩阵理论，通过定义一种伪逆雅克比矩阵，将雅克比矩阵降秩处理，求解近似运动学反解的方法，但是伪逆解意味着从精确解到近似解存在着不连续性，而且在奇异位形附近的关节速度和加速度的伪逆解往往很大，计算方面也很繁琐。（3）以协调控制法回避机械手奇异位形。末端手部姿态只与(θ₄+θ₆)有关，因此在保持(θ₄+θ₆)不变的情况下,让θ₄和θ₆按相反的方向转一定的角度，而关节5的轴线方向就随着变化,这样就使得机器人的雅克比矩阵J(q)≠0,从而避开了奇异形位，但是此方法只能解决姿态奇异现象，在协调运动过程中会在奇异位形处停留一段时间，且存在协调运动前后关节速度会出现不连续现象的问题。由此可见，现有技术主要有以下缺点与不足之处：

1、回避机器人奇异位形的方法，限制了机器人在其工作空间的活动范围和运动路径，使得机器人在奇异位形处及其邻域成了运动轨迹的盲点。

2、降秩雅克比矩阵求运动学近似反解的方法，意味着从精确解到近似解存在着不连续性，而且在奇异位形附近的关节速度和加速度的伪逆解往往很大，计算方面也很繁琐。

3、协调运动法，只能解决姿态奇异现象，且在协调运动过程中在奇异位形处有停留，协调运动前后关节速度不连续而导致运行不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种六自由度工业机器人通过奇异域的方法，该方法克服了工业机器人在工作过程中遇到奇异位形时出现关节角速度突变而运行不稳定的问题，使机器人各关节角位移及角速度进行平滑过渡以通过奇异域。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种六自由度工业机器人通过奇异域的方法，包括以下步骤：

步骤1、对六自由度工业机器人进行运动学分析，利用离线仿真软件对六自由度工业机器人进行笛卡尔空间的运动轨迹规划；

步骤2、将步骤1所述的运动轨迹中各个插值点的坐标值及其姿态进行运动学逆解，得到各插值点处六自由度工业机器人各个关节的角位移关节变量、角速度关节变量和角加速度关节变量；

步骤3、对六自由度工业机器人进行奇异域的设置，对步骤2所述的各插值点处各关节变量进行计算，并判别该插值点是否位于奇异域内，若位于奇异域内，则进一步判别奇异位形的种类；

步骤4、将步骤3所述的位于奇异域内的运动轨迹进行关节空间的重新规划，构造带有抛物线拟合的线性过渡函数，实现各关节角位移及角速度的平滑过渡，使六自由度工业机器人通过奇异域。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤A、对六自由度工业机器人建立D-H坐标系，并根据D-H坐标系及其参数计算得工业六自由度工业机器人的各变换矩阵，对所述的变换矩阵进行运动学顺解及逆解分析；

步骤B、对笛卡尔空间的运动轨迹进行初步规划，使所述笛卡尔空间的运动轨迹的加速和减速的时间相等，并对指定的空间路径进行离散插值，获得各个离散插值点处的笛卡尔空间的位置和姿态，所述笛卡尔空间的运动轨迹的末端速度采用梯形法进行规划。

所述步骤3包括以下步骤：