[发明专利]一种基于解析解的7自由度机械臂控制方法与系统

权利要求书

1.一种基于解析解的7自由度机械臂控制系统，其特征在于，包括7自由度机械臂和控制模块，所述7自由度机械臂和控制模块通信连接；

所述7自由度机械臂中任意相邻3个关节电机的轴线相交于一点，任意相邻2个关节电机的轴线垂直；

所述控制模块，用于基于解析解对7自由度机械臂进行逆运动学求解和路径规划，得到从7自由度机械臂的起始点到目标点的多个路径点，使用最小二乘法平滑多个路径点，在多个路径点之间进行插补计算，得到7自由度机械臂的运行轨迹，对每个关节电机进行轨迹跟踪，实时控制7自由度机械臂运动；

所述7自由度机械臂包括夹爪、基座、6个连杆和7个关节电机，关节电机之间通过连杆连接，夹爪和基座分别固定连接于7个关节电机的两端；

所述7个关节电机包括由下至上依次设置的第一关节电机(1)、第二关节电机(2)、第三关节电机(3)、第四关节电机(4)、第五关节电机(5)、第六关节电机(6)、第七关节电机(7)，

所述第一关节电机(1)、第三关节电机(3)、第五关节电机(5)和第七关节电机(7)的轴线共线且垂直于地面，

所述第二关节电机(2)、第四关节电机(4)和第六关节电机(6)的轴线均与地面平行。

2.如权利要求1所述的一种基于解析解的7自由度机械臂控制系统，其特征在于，所述7自由度机械臂在不包含夹爪时的总长度为900mm～1200mm。

3.如权利要求1或2所述的一种基于解析解的7自由度机械臂控制系统，其特征在于，所述7自由度机械臂在不包含夹爪时的总重量为15kg～20kg。

4.如权利要求1或2所述的一种基于解析解的7自由度机械臂控制系统，其特征在于，所述控制模块包括底层控制层和PC机控制层，所述底层控制层与7自由度机械臂之间通过EtherCAT、CAN或RS485连接，所述底层控制层和PC机控制层通过以太网、RS232或RS485连接；

所述PC机控制层，用于利用7自由度机械臂的起始点和目标点进行逆运动学求解，得到7自由度机械臂中每个关节电机的关节角度，然后进行路径规划，得到7自由度机械臂从起始点到目标点的多个路径点，使用最小二乘法平滑多个路径点，在多个路径点之间进行插补计算，得到与每个插补点对应的轨迹点，每个轨迹点包含轨迹时间、7个关节角度、7个关节速度和7个关节加速度；

所述底层控制层，用于利用多个轨迹点，同步对每个关节电机进行轨迹跟踪，对7自由度机械臂进行实时运动控制。

5.一种基于解析解的7自由度机械臂控制方法，其特征在于，包括：

利用7自由度机械臂的起始点和目标点进行逆运动学求解，得到7自由度机械臂中每个关节电机的关节角度，然后进行路径规划，得到7自由度机械臂从起始点到目标点的多个路径点，使用最小二乘法平滑多个路径点，在多个路径点之间进行插补计算，得到与每个插补点对应的轨迹点，每个轨迹点包含轨迹时间、7个关节角度、7个关节速度和7个关节加速度；

利用多个轨迹点，同步对每个关节电机进行轨迹跟踪，对7自由度机械臂进行实时运动控制；

所述路径规划的具体实现方式为：

分别从初始点和目标点双向同时生长两棵快速扩展随机树搜索状态空间，计算状态空间的采样点与随机树的每个分支点的距离后，再将距离除以采样点与扩展方向的夹角余弦，然后选择所得最小值的那一个分支点进行随机树的生长，得到7自由度机械臂从起始点到目标点的多个路径点。

6.如权利要求5所述的一种基于解析解的7自由度机械臂控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在多个路径点之间进行插补计算之前，使用最小二乘法平滑多个路径点。