[发明专利]一种基于旋量理论的6R机器人逆运动学几何求解方法有效

专利信息
申请号: 201710953599.4 申请日: 2017-10-13
公开(公告)号: CN107756400B 公开(公告)日: 2020-12-04
发明(设计)人: 刘志峰;许静静;赵永胜;蔡力钢 申请(专利权)人: 北京工业大学
主分类号: B25J9/16 分类号: B25J9/16;B25J19/00;G06F17/11
代理公司: 北京思海天达知识产权代理有限公司 11203 代理人: 沈波
地址: 100124 *** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 理论 机器人 运动学 几何 求解 方法
【权利要求书】:

1.一种基于旋量理论的6R机器人逆运动学几何求解方法,其特征在于:该方法的实现过程如下:

S1、建立基坐标系与工具坐标系,通过基坐标系与工具坐标系确定6R机器人运动学参数,并建立正运动学模型;

S2、将6R机器人的前三个关节的逆解运动分解描述:由点qe到点c2=[x2 y2 z2]绕关节1的旋转运动;点c2到点c1=[x1 y1 z1]绕关节2的旋转运动;点c1到点qs绕关节3的旋转运动;其中qs,qe分别为机器人前三个关节末端的初始和目标位置,根据几何关系描述建立以x1,y1,z1,x2,y2和z2为变量的六元二次方程组;

S3、采用MATLAB中“SOLVE”函数求解以上方程组,得到c1和c2的坐标矢量;

S4、自此,前三个关节的逆解运动始末位置已知,基于Paden-Kahan子问题1分别建立6R机器人的前三个关节角变量θ1,θ2和θ3的显式求解模型,并进行求解;

S5、在关节6的轴线上取一点作为后三个关节逆解运动中的初始位置qs1,并基于旋量正运动学模型求解初始位置qs1对应的目标位置qe1

S6、将关节4和5的逆解运动分解描述:由点qe1到点c3=[x3 y3 z3]的旋转运动;由点c3到点qs1的旋转运动;根据几何关系建立以x3,y3和z3为变量的三元二次方程组,并采用“SOLVE”函数求解,得到c3的坐标矢量;

S7、自此,关节4和关节5的逆解运动始末位置已知,基于Paden-Kahan子问题1分别建立关节4和关节5的关节角变量θ4和θ5显式求解模型,并进行求解;

S8、取不在关节6轴线上的任意一点qs2,基于旋量正运动学模型求解qs2对应的目标位置qe2,则关节6的逆解运动始末位置已知;同理基于子问题1求解θ6

2.根据权利要求1所述的一种基于旋量理论的6R机器人逆运动学几何求解方法,其特征在于:S1确定6R机器人运动学参数并建立正运动学模型

已知该6R机器人的初始状态各关节所在位置矢量及旋转矢量如下:

其中ri,1≤i≤6表示i关节在基坐标系的位置矢量,ωi表示i关节的旋转矢量;

基于旋量理论,该6R机器人正运动学模型表示为,

其中gst(0),gst(θ)分别表示机器人末端的初始位姿与目标位姿,表示i关节旋转运动的指数积形式,

式中θi为第i个关节角位移;是i关节旋转矢量ωi的另一种表示形式,由ωi=[ω1ω2 ω3]定义为则νi是i关节运动的旋转线速度,νi=-ωi×ri

给定目标位姿,

S2针对前三个关节建立六元二次方程组

基于旋量理论前三个关节的旋转运动描述为,

式中q′s和q′e分别表示6R机器人末端在该旋转运动的初始位置与目标位置;由S1可知,

q′s=[xs ys zs 1]=[0 744 940 1]

q′e=[xe ye ze 1]=[-936.6611 631.7859 570.0752 1]

设运动经过点c1和c2,根据几何描述建立以下关系式组,

其中q1,q2和q3分别为关节1、关节2和关节3旋转轴线上的任意一点,为简化模型取q1=[0 0 0],q2=[0 150 250]和q3=[0 150 800],那么式(7)表示为如下方程组,

采用MATLAB中“SOLVE”函数求解方程组(8),得到x1,y1,z1,x2,y2和z2的解;

S3计算关节角位移θ1,θ2和θ3

得到过程点坐标c1=[x1 y1 z1]和c2=[x2 y2 z2]后,将绕关节1、关节2和关节3的旋转运动分别描述如下,

基于Paden-Kahan子问题1,得到关节角位移的显示表达式如下,

S4针对关节4和关节5建立三元二次方程组

由式(3)知,

其中在关节6的轴线上取一点qs1=[xs1 ys1 zs1]=[0 744 0],其绕关节4与关节5的旋转运动描述如下,

其中q′e1=g1q′s1=[xe1 ye1 ze1 1];

设运动经过点坐标为c3=[x3 y3 z3],根据几何描述建立以下关系式组,

其中q4=[0 744 940];则式(14)表示为如下方程,

采用MATLAB中“SOLVE”函数求解方程组(15),得到x3,y3和z3的解;

S5计算关节角位移θ4和θ5

得到过程点坐标c3=[x3 y3 z3]后,将绕关节4和关节5的旋转运动分别描述如下,

基于Paden-Kahan子问题1,得到关节角位移θ4和θ5的显示表达式如下,

S6计算关节角位移θ6

取不在关节6轴线上一点qs2=[0 750 940],其绕关节6的旋转运动描述为,

其中同理基于Paden-Kahan子问题1,得到关节角位移θ6的显示表达式如下,

通过以上求解得到八组运动学逆解。

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