[发明专利]一种六自由度关节型机器人的奇异性处理方法

说明书

本发明公开了一种六自由度关节型机器人的奇异性处理方法，包括以下步骤：1)建立所述机器人的运动学模型；2)对六自由度关节型机器人进行直角坐标空间的运动轨迹规划；3)对运动轨迹的各个插值点进行运动学逆解求解，得到各插值点处机器人各关节的角度，并根据雅可比矩阵对笛卡尔空间与关节空间的联系，得到各插值点处机器人各关节的的角速度和角加速度；4)求解关节奇异的条件，并得到奇异域；5)通过奇异性处理使机器人平稳通过奇异区。本发明能解决机器人在运动过程中发生奇异而导致的关节角速度突变问题，从而提高机器人运动的平稳性，使机器人各关节角度和角速度平稳通过奇异区域。

技术领域

本发明涉及一种六自由度关节型机器人的奇异性处理方法。

背景技术

奇异位形是机器人机构的固有特性，当机器人处于奇异位形时，对于给定操作器的从关节空间映射到工作空间的雅可比矩阵就变为奇异矩阵，因而无法求得它的运动学逆解，从而基于雅可比的各种控制算法就失效了，这样其轨迹控制和运动控制都无法准确实现。以目前常见的六自由度关节型机器人为例，主要包括三种奇异点，分别为边界奇异、内部奇异和腕部奇异。当第二、三和五关节同轴时会出现边界奇异；当第一和第六关节同轴时会出现内部奇异；当第四和第六关节同轴时会出现腕部奇异。这些奇异位形会导致机器人关节速度突然变大，从而导致停机或者其他安全问题。

发明内容

本发明是为了避免现有技术所存在的不足，提供一种六自由度关节型机器人的奇异性处理方法，以期能在保证机器人工作性能和运动精度前提下，提高机器人运动的平稳性，使机器人各关节角度和角速度平稳通过奇异区域。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种六自由度关节型机器人的奇异性处理方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、对六自由度关节型机器人进行结构学与运动学分析，建立运动学模型，从而获取运动学正逆解求解公式及雅可比矩阵；

步骤2、对所述六自由度关节型机器人进行笛卡尔空间的运动轨迹规划，得到末端执行器在各个插值点处的位置、速度和加速度；

步骤3、对所述运动轨迹的各个插值点进行运动学逆解求解，得到各插值点处机器人各关节的角度，并根据雅可比矩阵对笛卡尔空间与关节空间的联系，得到各插值点处机器人各关节的角速度和角加速度；

步骤4、求解关节奇异的条件，并得到奇异域；

步骤5、基于所述奇异域的边界上的插值点处机器人各关节的角度、角速度、角加速度，利用五次多项式对奇异域内的所有插值点进行重新规划，得到非奇异域内的插值点，从而与奇异域边界上的插值点组成新的运动轨迹，以使六自由度关节型机器人平稳地通过奇异域。

本发明所述的六自由度关节型机器人的奇异性处理方法的特点也在于，所述步骤5是按如下过程进行：

步骤5.1、将奇异域边界上的始端插值点的角度记为θ₀、角速度记为θ′₀、角加速度记为θ″₀；将奇异域边界上的末端插值点的角度记为θ_f、角速度记为θ′_f、角加速度记为θ″_f，并带入五次多项式中，从而求解得到五次多项式的各个系数如式(1)所示：

式(1)中，t_f表示末端插值点的时间；

步骤5.2、将奇异域内的所有插值点的时刻带入求解后的五次多项式中，从而得到新的插值点作为非奇异域内的插值点。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法简单，可操作性高，便于实现程序化，对扩大机器人的应用范围、提高操作精度、灵活性和运动学及动力学性能都有着十分重要的实际意义。