[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

说明书

本发明涉及一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，包括以下步骤：首先将七个自由度配置成“肩‑肘‑腕”式结构，由基座至末端分别定义为1‑7关节，然后，求解肘关节(4关节)角度，并将“肩‑肘‑腕”三点组成的空间平面与参考平面之间夹角定义为冗余角。最后，根据优化的冗余角分别解算肩关节角度(1‑3关节)和腕关节角度(5‑7关节)。本发明可以解决六自由度操作空间位姿向七自由度关节空间映射的逆运动学规划问题，实现空间六自由度与关节七自由度映射关系；建立冗余角与肩关节和腕关节的函数关系方法，通过优化冗余角方法选取最优逆解。

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体地说是一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，特别适用于机器人运动控制和轨迹规划。

背景技术

在与人协作类机器人中，七自由度拟人构型机械臂是一种常见结构。此类机械臂被广泛应用于柔性化工业生产线、电子元器件装配、医疗与服务等多种行业。与传统六自由度机械臂相比，七自由度拟人构型机械臂具有更大、更灵活的工作空间，特别适合应用在与人交互工作环境中。

机械臂逆运动学规划方法是轨迹规划与控制的基础。传统工业机械臂的逆运动学规划方法无法直接应用于七自由度拟人构型机械臂中。其最大区别在于六自由度操作空间轨迹如何映射到七自由度关节空间轨迹。目前已有的解方法多采用“数值解法”，即在每个迭代周期内通过求解雅可比伪逆方法求解。“数值解”虽然能够处理所有具有冗余自由度构型的机械臂逆运动学问题，但存在误差大、计算效率低等缺点。若将此类方法应用于轨迹规划中，会降低控制器的运行效率，甚至会降低实时性。因此，七自由度机械臂逆运动学规划问题仍然存在未完全解决的难点。本发明针对以上难点，发明一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，方法针对此种构型采用“解析解法”，实现了快速、高精度的逆运动学规划方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法。在该方法中，根据如何以最优化方式精确快速的将六自由度操作空间轨迹映射到七自由度关节空间轨迹问题，实现七自由度拟人构型机械臂的运动学逆解，进而实现机器人的轨迹规划。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，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P_s；肘关节即关节4包含1个自由度，旋转中心为P_e；腕关节包含关节5～7的3个自由度且旋转中心重合于点P_w；

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l_se、肘-腕长即下臂长l_ew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θ_{1_0}和2关节角度θ_{2_0}；将此时由θ_{1_0}和θ_{2_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＝[θ₁,θ₂,θ₃,θ₅,θ₆,θ₇]^T；