六關節機械臂逆運動學問題的快速求解方法
2023-09-13 16:26:30
專利名稱：六關節機械臂逆運動學問題的快速求解方法
技術領域：
本發明涉及一種機械臂逆運動學方程的快速求解方法。
背景技術：
自1962年第一臺工業機器人應用於General Motor公司的生產線以來，機器人技術不斷發展、完善和成熟，目前已廣泛應用於製造業、服務業、娛樂業、科學探索、醫學、軍事和航天等各個領域。工業機器人可以代替人類完成大量高質量要求的工作，如汽車製造，家電產品製造，化工及食品包裝，物料的搬運等。汽車製造業利用機器人在汽車自動化生產線完成焊接、噴漆、裝配等工作。在服務業中，各種服務用智慧機器人如導遊機器人、護士助手、步行功能訓練機器人、導盲機器人等已逐漸進入市場。21世紀的服務用智慧機器人除了可以為家庭從事簡單的家務勞動和健康護理工作外，還可以從事一些勞動強度大，工作重複性強的工作，如環境保護，打掃以及公共運輸服務等。在醫學方面機器人主要作為醫療設備輔助醫生和醫務工作者從事醫療、診斷、醫學研究和教學。如遠程手術機器人、醫用微型機器人等。機器人在軍事領域的應用包括代替士兵執行拆除炸彈、掃雷、偵察和攻擊等各種任務。20世紀70年代，美國率先提出了在宇宙空間利用機器人系統的概念，旨在通過機器人的應用進行設備的組裝、回收、維修，以及在極其惡劣的空間環境下完成一些人類難以完成的艙外活動。目前，空間機器人研究主要集中在衛星、太空梭以及國際空間站上使用的空間機械臂。機器人之所以能夠勝任各種工作靠的是機械臂，而機械臂的每一個動作又是由人類預先編制好的程序控制的。機器人的智能和功能以及靈巧程度決定於相應的程序，而這些程序又與機械臂的逆運動學方程的求解方法密不可分。傳統的機械臂的逆運動學方程的求解通常是求出多個解，然後在其中選擇最優者。這就嚴重影響了機器人的響應速度，使機器人的運動更加遲鈍。本發明旨在針對最常用的6關節機械臂，給出一種直接獲取最優解， 並且運算更加簡單的方法，以提高機械臂快速響應能力。
發明內容
本發明的目的是對最常用的6關節機械臂，給出一種直接獲取逆運動學最優解， 並且運算更加簡單的方法，以提高機械臂快速響應能力。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明的有益效果在於不需要先列出機械臂「正」運動學方程的解，再根據此方程求逆運動學方程的全部解，然後從中選擇最優解，而是根據對末端的姿態和位置的要求， 直接求出最優解，即先求出第5個坐標系的坐標原點和第4、5、6個關節角的旋轉角度，再根據第5個坐標系原點的坐標以及第4、5、6個關節角的旋轉角度求出第1、2、3個關節角的旋轉角度。
圖1是6關節機械臂結構及其各關節坐標系示意圖，圖中，各坐標系均為右手系； Z1, Y2, Y3, Y4, Z5, X6與相應的轉軸平行J1，X2，X3，Y4，X5, &與相應的鏈杆平行；坐標系O-X5Y5Z5 的原點位於^cy1平面之內。
具體實施例方式機械臂的結構如圖1所示。以Ο,Ορ…，O6分別表示第1，2，…，6個坐標系的原點，且假定OO1 = Cl1, O2O3 = a2, O5O6 = a4Y3和Y4所在直線之間的距離為a3，05在)(71平面內。按照如此的機械臂結構，對於給定的末端位置(χ，γ，ζ)，滾動角、俯仰角、方位角分別為P、θ、Ψ，求解逆運動學方程可分為兩步，即根據末端姿態求解θ4，95和θ 6以及根據末端姿態求解0(5，Υ5，Ζ5)並由此求出關節角度Q1, 02和θ3。1)、(X5，Y5，Z5)的確定由於機械臂末端相對於o-ΧΛΛ的滾動角、俯仰角、方位角分別為0、θ、ψ，則由坐標系O-XtlY^l到末端坐標系的變換矩陣為
權利要求
1.一種六關節機械臂逆運動學問題的快速求解方法，其特徵在於根據對末端的姿態和位置的要求，直接求出最優解，即先求出第5個坐標系的坐標原點和第4、5、6個關節角的旋轉角度，再根據第5個坐標系原點的坐標以及第4、5、6個關節角的旋轉角度求出第1、2、 3個關節角的旋轉角度。
2.根據權利要求1所述的6關節機械臂逆運動學問題的快速求解方法，其特徵在於如圖1所示，0，O1,…，O6分別表示第1，2，…，6個坐標系的原點，且假定
全文摘要
傳統的機械臂運動控制技術需要先求出機械臂的運動學方程，再根據此方程運動學方程求相應的逆運動學方程的全部解並從中選擇最優解。這種運動控制技術運算複雜，實時性差，嚴重影響了機械臂的靈巧性。本發明針對6關節機械臂，給出一種運算更加簡單的直接獲取逆運動學最優解的方法，以提高機械臂快速響應能力。本發明的特點在於根據對末端的姿態和位置的要求，直接求出最優解，即先求出第5個坐標系的坐標原點和第4、5、6個關節角的旋轉角度，再根據第5個坐標系原點的坐標以及第4、5、6個關節角的旋轉角度求出第1、2、3個關節角的旋轉角度。
文檔編號G06F17/10GK102243620SQ20111015829
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者安凱, 安培亮, 安宏亮, 王曉英 申請人:安凱