[发明专利]一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法在审

专利信息
申请号: 201710610052.4 申请日: 2017-07-25
公开(公告)号: CN109291046A 公开(公告)日: 2019-02-01
发明(设计)人: 赵忆文;王争;杜惠斌;侯澈;李英立 申请(专利权)人: 中国科学院沈阳自动化研究所
主分类号: B25J9/16 分类号: B25J9/16
代理公司: 沈阳科苑专利商标代理有限公司 21002 代理人: 王倩
地址: 110016 辽*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 七自由度 冗余 关节 逆运动学 机械臂 肩关节 腕关节 构型 空间六自由度 自由度配置 参考平面 操作空间 关节空间 规划问题 函数关系 空间平面 六自由度 映射关系 肘关节 求解 映射 解算 位姿 优化 规划
【权利要求书】:

1.一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法,其特征在于包括以下步骤:

步骤1:将机器人的七个自由度配置成肩-肘-腕结构,由基座至末端依次定义为关节1~7;其中,肩关节包含关节1~3的3个自由度且旋转中心重合于点Ps;肘关节即关节4包含1个自由度,旋转中心为Pe;腕关节包含关节5~7的3个自由度且旋转中心重合于点Pw

步骤2:根据末端期望位置和姿态求解出肩-腕中心直线段在基坐标系中的向量

步骤3:根据肩-肘长即上臂长lse、肘-腕长即下臂长lew和肩-腕长构成的三角形,求解肘关节即关节4角度θ4

步骤4:求解出肩-腕中心直线段在关节3坐标系中的向量再结合基坐标系中的向量同时取关节3角度固定不变情况θ3=0,综合求解此时关节1角度θ1_0和2关节角度θ2_0;将此时由θ1_0和θ2_0确定的肩-肘-腕平面定义为参考平面;

步骤5:由肩-肘-腕的三个旋转中心组成的空间平面与参考平面夹角为冗余角建立肩关节和腕关节6个关节的角度θ1、θ2、θ3、θ5、θ6、θ7与冗余角的函数关系其中θ=[θ123567]T

步骤6:将多变量优化问题转化为单变量优化问题;根据优化目标,求解代价函数且满足约束条件得到最优化冗余角

步骤7:根据冗余角和步骤5中关系,分别求解肩关节角度θ1、θ2、θ3和腕关节角度θ5、θ6、θ7

2.根据权利要求1所述的一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法,其特征在于所述向量表示基坐标系原点到关节1坐标原点距离,lwt表示关节5坐标原点到末端距离。

3.根据权利要求1所述的一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法,其特征在于所述向量分别表示关节4坐标系相对于关节3坐标系的旋转矩阵、关节3坐标系中上臂长、关节4坐标系中下臂长。

4.根据权利要求1所述的一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法,其特征在于:所述步骤3中,θ4根据余弦定理求解,存在2组解:θ4>0和θ4<0;在离散轨迹情况下,θ4由人为选取符号正负;在连续轨迹情况下,θ4的选取根据前一周期角度θ4,k-1的值确定符号的正负。

5.根据权利要求1所述的一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法,其特征在于:所述步骤6中,根据不同工作需求选取优化目标代价函数指标包括最小能量消耗、速度恒定、加速度最小。

6.根据权利要求1所述的一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法,其特征在于:所述步骤7,θ2由求解其反余弦值函数得到,分别存在2组解:θ2>0和θ2<0;在离散轨迹点情况下,θ2由人为选取符号正负;在连续轨迹点情况下,θ2的选取根据前一周期角度θ2,k-1的值确定符号的正负。

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