[发明专利]一种关节型机械臂逆运动学数值唯一解求取方法

说明书

本发明一种关节型机械臂逆运动学数值唯一解求取方法属于现代智能制造技术领域，涉及工业机器人领域一种肩关节朝前偏置的关节型六自由度机械臂的逆运动学数值唯一解求解方法。该方法按照改进的DH参数法建立机械臂关节坐标系,确定机械臂相邻关节之间的4个结构几何参数，计算相邻两坐标系的齐次坐标变换矩阵。对于给定的末端坐标系O₆的位姿矩阵，采用一种改进的牛顿迭代法——Levenberg‑Marquardt迭代算法。利用雅可比矩阵J计算关节坐标系逆运动学解，求得一组对应于位姿矩阵的满足精度要求的六个关节旋转角度值θ_i。该方法克服了传统牛顿迭代法对雅可比矩阵J必须满秩的要求，建模方法更加简单明了，行之有效。具有求解精度高、求解速度快、求解过程更加简单易行的特点。

技术领域

本发明属于现代智能制造技术领域，涉及工业机器人领域一种肩关节朝前偏置的关节型六自由度机械臂的逆运动学数值唯一解求解方法。

背景技术

关节型机械臂的逆向运动学问题是在给定机械臂末端执行器坐标系相对于基坐标系的位置和姿态，以及所有机械臂关节几何参数的情况下，求取所有机械臂关节转动的角度值，是正向运动学的逆过程。正向运动学根据机械臂的结构几何参数可以得到前后相邻关节坐标系之间的齐次坐标变换矩阵T，也即两关节之间的位姿矩阵；若已知每个关节转动角度θ,通过将各关节齐次变换矩阵T依次连续右乘即可得到机械臂末端执行器坐标系的位姿矩阵，所得结果唯一。而逆向运动学的求解则相对复杂，且可能具有无解或多解情况，比如末端执行器坐标系在奇异点处无解，而反三角函数的周期性导致机械臂关节旋转角度解析解理论上的多解问题。

大多数关节型六自由度机械臂的腕部都是满足Pieper准则的，即腕部相邻的三个关节旋转轴相交于一点，则腕部相邻的三个关节是解耦的。目前，机器人领域通用的坐标系建模方法多是Denavit-Hartenberg参数法,简称DH参数法，即一种为机械臂关节链中的每一个杆件建立坐标系的矩阵方法，该方法描述了相邻关节之间的坐标方向和几何参数，直观明了。例如，陶茂生等人公开的“用于六自由度的工业机器人的逆运动学求解方法”，专利号CN105573143A，需要根据求出的六个关节旋转轴转动角度对应的八组结果，解离上一关节空间所处位置对应的各个关节旋转轴角度差值范数总和最小的解。但是所求范数未能再次带入计算，只是作为在众多逆解中选择较优解的判断依据，其计算精度与计算速度不能满足现代生产的要求。朱齐丹等人公开的“一类六自由度机械臂运动学逆解的快速简便求法”，专利号CN103942427A，采用欧拉角变换矩阵进行求解，没有避免该方法的万向节锁问题。此外，田国会等人公开的“智能空间下的服务机器人逆运动学求解方法和装置”，以及吕亚辉等公开的“一种基于粒子群优化算法的机器人逆运动学求解方法”，采用了遗传算法和粒子群算法等智能算法进行逆运动学求解，程序复杂需要高性能的计算配置，且存在稳定性不足的问题。

发明内容