[发明专利]一种两转一移并联机器人姿态规划方法

说明书

本发明属于机器人轨迹规划控制技术领域，具体涉及一种两转一移并联机器人姿态规划方法，包括：将并联机器人所要经过的姿态点利用单位四元数进行表示；利用单位四元数球面四边形插值算法对并联机器人所要经过的姿态点进行插值，找到最短运动路径；根据所得最短路径进行运动学逆解得到关节位置曲线，然后进行关键点提取，利用非线性函数曲线经过提取的关键点对关节位置曲线进行拟合，可以得到高阶规划曲线；对拟合的非线性曲线基于最小加加速度累加和进行参数求解，及基于运动学优化最小运动时间。本发明的混合规划算法能够得到多姿态点之间的最短运行距离，并保证并联机器人末端姿态轨迹整体C³连续，保证了机器人运动的平滑性。

技术领域

本发明属于机器人轨迹规划控制技术领域，具体涉及一种两转一移并联机器人姿态规划方法。

背景技术

两转一移并联机器人，为空间少自由度形式，这种并联机器人大多以三条运动分支链连接动平台与定平台，形成多闭环结构，这并联机器人中连接动平台的三个球铰链始终在固定的平面内作平面运动。与串联机器人相比，并联机器人有更大的结构刚度和承载能力，更高的定位精度，及更小的关节累积误差。随着一些加工领域对工业机器人刚度和重复定位精度的要求提高，在需要控制加工工件轮廓精度的领域如铣削、抛磨、及去毛刺等加工中并联机器人得到了广泛的应用。在加工铣削或抛光不规则曲面时，不仅需要加工工具跟随曲面做曲线变化而且也需要工具头一直保持垂直曲面，这就需要对并联机器人末端姿态进行姿态规划以实现姿态连续的高阶平滑运动。

两转一移并联机器人的动平台具有一个移动和两个转动自由度(包括3-RPS、3-RRS、3-PPS等)，是并联机器人机构的重要分支之一。

并联机器人末端姿态轨迹平滑连续变化，能够提高机器人的轨迹跟踪性能。机器人的姿态描述方式主要有：欧拉角、旋转矩阵、轴角法和单位四元数等。欧拉角具有描述姿态简单、直观的优点，但在插值中具有万向节锁死问题。四元数能够有效对欧拉角旋转时产生的万向节锁死问题进行避免，并且插值精度高、计算量小而被广泛应用于机器人姿态轨迹规划中。

在大多数工作空间姿态规划方法中规划的曲线仅有C¹或C²连续，这将会影响并联机器人末端姿态变化的连续性以及影响跟踪精度。本申请充分利用欧拉角与四元数各自的优点，在描述姿态方面利用欧拉角表示，在姿态插值中基于单位四元数球面四边形插值(Squad，Spherical and Quadrangle)算法提出一种混合姿态插值规划方法。

四元数插值方法球面四边形插值主要用于多姿态点的一次连续插值，能够得到多姿态点之间一阶连续的最短插值曲线。为得到高阶连续的多姿态规划曲线，本申请结合单位四元数球面四边形插值及非线性曲线提出了一种姿态混合规划算法，得到的轨迹曲线不仅能够满足最短路径并满足曲线C³连续，能够提高并联机器人姿态运动的平滑性。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种两转一移并联机器人姿态规划方法的技术方案。

一种两转一移并联机器人姿态规划方法，包括：

S1将并联机器人所要经过的姿态点利用单位四元数进行表示；

S2利用单位四元数球面四边形插值算法对并联机器人所要经过的姿态点进行插值，找到最短运动路径；

S3根据所得最短路径进行运动学逆解得到关节位置曲线，然后进行关键点提取，利用非线性函数曲线经过提取的关键点对关节位置曲线进行拟合，可以得到高阶规划曲线；

S4对拟合的非线性曲线基于最小加加速度累加和进行参数求解，及基于运动学优化最小运动时间。

进一步地，S1具体包括：将姿态点利用欧拉角进行直观表达，建立欧拉角与四元数的对应关系，得出单位四元数表示机器人末端姿态的逆运动学方程；将姿态路径点的欧拉角表示为SO³下的单位四元数。