[发明专利]一种多关节机械臂空间函数轨迹运动的逆运动学求解方法

说明书

本发明提供的是一种多关节机械臂空间函数轨迹运动的逆运动学求解方法。解决了多关节机械臂在按照既定轨迹函数运动的过程中，操作空间与关节空间以及关节空间与驱动空间的映射关系。在给定空间轨迹函数之后，本发明的能够输出各个时刻的各个关节的姿态（具体为各个关节的末端位置）以及每根驱动绳的绳长。在解决操作空间与关节空间的映射关系时，采用数值方法中的二分法对该关系进行数值求解。在解决关节空间与驱动空间的映射关系时，可以算法求出各个关节坐标系关于基坐标系的转换矩阵，从而得到各个驱动绳的绳长。

技术领域

本发明提供的是一种多关节机械臂空间函数轨迹运动的逆运动学求解方法。

背景技术

现在的机械臂一般多为刚性结构，具有5-7个自由度，手臂本体的灵活度较差，无法满足空间狭小、复杂等环境下的作业要求。而本发明所适用的多关节机械手，其自由度多、姿态灵活多变，能够满足上述工况作业要求。

本发明适用的情况主要是在一些较为复杂、障碍物较多的环境中，需要使机械臂在基座的配合下按照给定轨迹绕过障碍物运动到指定位置，再在指定空间的中完成所需要的工作(如对管道的切割)。而对这种输入轨迹函数的运动还没有专门的逆运动学求解方式，本发明就针对这种运动情况提出了一种求逆运动学解的方式。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种给定空间轨迹函数多关节机械臂逆运动学求解方法。操作方式为在提前给定空间轨迹的情况下，机械臂通过此种方法在基座的配合下进行运动，以达到规定空间轨迹曲线的形态，到达既定的工作位置。

本发明在给定机械臂的空间轨迹函数的条件下，给出各个时刻各个机械臂的位置以及牵引绳的长度。

本发明技术方案的具体内容如下：

(1)输入机械臂的总关节数n，每节关节长度L，运动时间t(t为自变量)，空间轨迹函数。

(2)解决操作空间与关节空间的映射关系，即给定空间轨迹函数后，输出每个时刻的机械臂姿态信息(每个关节的末端位置)。

(3)解决关节空间与驱动空间的映射关系，在求解出每个关节的末端姿态之后，只了解到该时刻的机械臂空间姿态模样，本发明还提供了一套算法求解出驱动空间即对应驱动绳的长度。

本发明的有益效果是：提出一种轨迹操控的多关节机械臂空间运动算法，能够在已知机械臂的基础信息(关节个数，各关节长度等信息)的情况下，得到整个运动过程各个时刻的机械臂姿态信息以及驱动绳长，从理论上给出了一类多关节机械臂的轨迹函数运动的运动学分析。

附图说明

图1是多关节机械臂的外观以及运动示意图；

图2是二分法算法框图；

图3是两关节之间转动副的结构示意图；

图4是matlab算法演示图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的求解过程做更详细的描述。

假设该多关节机械臂的总关节数为n，从电机往外依次为第n节，第n-1节…第1节，每节关节长度为L，运动时间为t。本发明从两种运动模式探究三维运动情况下，各关节的运动情况。示意如图1。

(1)操作空间与关节空间

由于空间曲线方程有多种表达形式，为了描述方便选取下述方程组来描述空间轨迹：