[发明专利]五自由度机械臂关节变量确定方法

说明书

本发明公开一种五自由度机械臂关节变量确定方法，迭代次数有限、精度高、通用性好。本发明方法包括：(10)机械臂正逆运动学模型建立：根据DH参数，建立五自由度机械臂的正逆运动学求解模型；(20)机械臂关节量获取：由五自由度机械臂逆运动学计算公式求出5个机械臂关节量；(30)实际可达位姿获取：将机械臂关节量代入五自由度机械臂正解计算公式，求出实际可达位姿；(40)位姿误差计算：计算实际可达位姿与期望位姿之间的位姿误差；(50)收敛性判断：根据位姿误差是否低于位姿误差阈值，判断是否收敛；如是，则跳转至(70)步骤；(60)迭代控制：用控制量修正期望位姿，跳转至(20)步骤；(70)关节变量输出：输出5个机械臂关节量。

技术领域

本发明属于五自由度机器人技术领域，特别是一种五自由度机械臂关节变量确定方法。

背景技术

随着科学技术和控制技术的发展，机器人被广泛应用于科研、军事、工业以及物流等领域。为了满足通用的应用需求，机器人开发工作者倾向于六自由度机器人。然而针对考虑质量、尺寸和成本且对某一方向自由度无要求的场景，五自由度机器人更为适用，如五自由机器人应用在电弧焊行业。机械臂运动学用于分析各关节变量与末端位姿在笛卡尔空间下的位姿变换关系，属于机器人研究领域的基础技术。而机械臂逆运动学需要解决的问题是找出至少一组关节变量使得末端达到期望的位姿。

在求解五自由度机械臂运动学逆解过程中，由于自由度少于6个，因此对于任意位置和姿态的末端执行器，运动学逆解无法直接求解。

目前，确定五自由度机械臂任意位置和姿态的末端执行器的运动学逆解，即找出至少一组关节变量满足除自由度缺省方向上任意位姿的方法包括添加虚自由度(再采用代数法或几何法求解)、姿态映射和迭代法三种。

添加虚自由度方法中，有在第六轴添加虚自由度来求解无末端执行器的问题，但对于有末端执行器的应用场景不再适用。针对于这个问题，可以在末端执行器上添加一个虚自由度，但此方法适用于添加虚自由度后满足PIEPER准则的构型。

姿态映射的原理是将任意位姿映射到可解的五自由度姿态，然后代入逆解公式求解。常用方法有遍历法和神经网络法。遍历法将末端任意位姿在约束自由度方向上进行逐一取值做齐次坐标映射，最后判断误差是否满足要求。此方法保证可解，但计算量与要求精度成正比，在快速操作场景中不适用。神经网络法将六自由度姿态映射到可解的五自由度姿态，需要用大量数据修正，且精度无法保证。

迭代法中，可以计算五自由度雅可比矩阵，然后迭代求解。但此方法计算量大，且存在不收敛问题。同时，其他迭代算法对不同构型五自由度机器人不具备通用性。

总之，现有技术存在的问题是：任意位姿五自由度机械臂的关节变量确定方法难以同时满足计算量小、精度高的技术要求，且通用性差。

发明内容

本发明的目的在于一种五自由度机械臂关节变量确定方法，迭代次数有限、精度高、通用性好。

实现本发明目的的技术方案为：

一种五自由度机械臂关节变量确定方法，包括如下步骤：

(10)机械臂正逆运动学模型建立：根据结构设计确定五自由度机械臂的DH参数，并根据机器人学基础知识，建立五自由度机械臂的正逆运动学求解模型；

(20)机械臂关节量获取：将给定的五自由度机械臂末端在笛卡尔空间下的期望位姿代入五自由度机械臂逆运动学计算公式，求出5个机械臂关节量；

(30)实际可达位姿获取：将所述5个机械臂关节量代入五自由度机械臂正解计算公式，求出五自由度机械臂末端在笛卡尔空间下的实际可达位姿；

(40)位姿误差计算：计算所述实际可达位姿与期望位姿之间的位姿误差；

(50)收敛性判断：根据位姿误差是否低于位姿误差阈值，判断是否收敛；如是，则跳转至(70)关节变量输出步骤；