一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法技术

本发明专利技术涉及一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，包括以下步骤：首先将七个自由度配置成“肩‑肘‑腕”式结构，由基座至末端分别定义为1‑7关节，然后，求解肘关节(4关节)角度，并将“肩‑肘‑腕”三点组成的空间平面与参考平面之间夹角定义为冗余角。最后，根据优化的冗余角分别解算肩关节角度(1‑3关节)和腕关节角度(5‑7关节)。本发明专利技术可以解决六自由度操作空间位姿向七自由度关节空间映射的逆运动学规划问题，实现空间六自由度与关节七自由度映射关系；建立冗余角与肩关节和腕关节的函数关系方法，通过优化冗余角方法选取最优逆解。

An Inverse Kinematics Planning Method for a Seven-DOF Humanoid Manipulator

The invention relates to an inverse kinematics planning method for a seven-degree-of-freedom humanoid manipulator, which includes the following steps: first, seven degrees of freedom are arranged into a \shoulder-elbow-wrist\ type structure, and the base-to-end definitions are 1_7 joints, respectively. Then, the elbow (4 joints) angles are solved, and the angle between the space plane composed of three points of \shoulder-elbow-wrist\ is defined as the angle between the reference plane and the shoulder-elbow-wrist plane. Redundant angle. Finally, the shoulder joint angle (1 3 joints) and wrist joint angle (5 7 joints) were calculated according to the optimized redundancy angle. The invention can solve the inverse kinematics planning problem of mapping six-degree-of-freedom operation space to seven-degree-of-freedom joint space, realize the mapping relationship between six-degree-of-freedom space and seven-degree-of-freedom joint space, establish the functional relationship method between redundant angle and shoulder joint and wrist joint, and select the optimal inverse solution by optimizing the redundant angle method.

【技术实现步骤摘要】
一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法
本专利技术涉及机器人领域，具体地说是一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，特别适用于机器人运动控制和轨迹规划。
技术介绍
在与人协作类机器人中，七自由度拟人构型机械臂是一种常见结构。此类机械臂被广泛应用于柔性化工业生产线、电子元器件装配、医疗与服务等多种行业。与传统六自由度机械臂相比，七自由度拟人构型机械臂具有更大、更灵活的工作空间，特别适合应用在与人交互工作环境中。机械臂逆运动学规划方法是轨迹规划与控制的基础。传统工业机械臂的逆运动学规划方法无法直接应用于七自由度拟人构型机械臂中。其最大区别在于六自由度操作空间轨迹如何映射到七自由度关节空间轨迹。目前已有的解方法多采用“数值解法”，即在每个迭代周期内通过求解雅可比伪逆方法求解。“数值解”虽然能够处理所有具有冗余自由度构型的机械臂逆运动学问题，但存在误差大、计算效率低等缺点。若将此类方法应用于轨迹规划中，会降低控制器的运行效率，甚至会降低实时性。因此，七自由度机械臂逆运动学规划问题仍然存在未完全解决的难点。本专利技术针对以上难点，专利技术一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，方法针对此种构型采用“解析解法”，实现了快速、高精度的逆运动学规划方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法。在该方法中，根据如何以最优化方式精确快速的将六自由度操作空间轨迹映射到七自由度关节空间轨迹问题，实现七自由度拟人构型机械臂的运动学逆解，进而实现机器人的轨迹规划。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，包括以下步骤：步骤1：将机器人的七个自由度配置成肩-肘-腕结构，由基座至末端依次定义为关节1～7；其中，肩关节包含关节1～3的3个自由度且旋转中心重合于点Ps；肘关节即关节4包含1个自由度，旋转中心为Pe；腕关节包含关节5～7的3个自由度且旋转中心重合于点Pw；步骤2：根据末端期望位置和姿态求解出肩-腕中心直线段在基坐标系中的向量步骤3：根据肩-肘长即上臂长lse、肘-腕长即下臂长lew和肩-腕长构成的三角形，求解肘关节即关节4角度θ4；步骤4：求解出肩-腕中心直线段在关节3坐标系中的向量再结合基坐标系中的向量同时取关节3角度固定不变情况θ3＝0，综合求解此时关节1角度θ1_0和2关节角度θ2_0；将此时由θ1_0和θ2_0确定的肩-肘-腕平面定义为参考平面；步骤5：由肩-肘-腕的三个旋转中心组成的空间平面与参考平面夹角为冗余角建立肩关节和腕关节6个关节的角度θ1、θ2、θ3、θ5、θ6、θ7与冗余角的函数关系其中θ＝[θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7]T；步骤6：将多变量优化问题转化为单变量优化问题；根据优化目标，求解代价函数且满足约束条件得到最优化冗余角步骤7：根据冗余角和步骤5中关系，分别求解肩关节角度θ1、θ2、θ3和腕关节角度θ5、θ6、θ7。所述向量表示基坐标系原点到关节1坐标原点距离，lwt表示关节5坐标原点到末端距离。所述向量分别表示关节4坐标系相对于关节3坐标系的旋转矩阵、关节3坐标系中上臂长、关节4坐标系中下臂长。所述步骤3中，θ4根据余弦定理求解，存在2组解：θ4>0和θ4<0；在离散轨迹情况下，θ4由人为选取符号正负；在连续轨迹情况下，θ4的选取根据前一周期角度θ4,k-1的值确定符号的正负。所述步骤6中，根据不同工作需求选取优化目标代价函数指标包括最小能量消耗、速度恒定、加速度最小。所述步骤7，θ2由求解其反余弦值函数得到，分别存在2组解：θ2>0和θ2<0；在离散轨迹点情况下，θ2由人为选取符号正负；在连续轨迹点情况下，θ2的选取根据前一周期角度θ2,k-1的值确定符号的正负。所述步骤7，θ6由求解其反余弦值函数得到，分别存在2组解：θ6>0和θ6<0；在离散轨迹点情况下，θ6由人为选取符号正负；在连续轨迹点情况下，θ6的选取根据前一周期角度θ6,k-1的值确定符号的正负。根据得到的7个关节的旋转角度θ1～θ7的值得到机器人各关节期望轨迹，构成关节空间的运动轨迹，实现轨迹的规划。根据关节空间的运动轨迹对机器人各关节进行控制。本专利技术具有以下有益效果及优点：1.本专利技术提出了定义参考平面和冗余角的方法，实现空间六自由度与关节七自由度映射关系；2.本专利技术提出了建立冗余角与肩关节和腕关节的函数关系方法，通过优化冗余角方法选取最优逆解；3.本专利技术提出了2、4、6关节多解的选取方式，离散轨迹情况下通过人工方式选取，连续轨迹情况下通过前一周期的关节角度选取。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2a为本专利技术中机械臂的结构配置示意图一；图2b为本专利技术中机械臂的结构配置示意图二；图3为本专利技术中操作空间运动轨迹示意图；图4为本专利技术中关节运动轨迹曲线图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术适用于七自由度拟人构型机械臂，此构型要求：1-3关节旋转中心(坐标系原点)重合于一点，5-7关节旋转中心(坐标系原点)重合于一点，如图2a～图2b所示。如图1所示，为本专利技术流程示意图。步骤1：将七个自由度配置成具有“肩-肘-腕”式结构，由基座至末端分别定义为关节1-7。其中，肩关节包含3个自由度(关节1-3)且旋转中心重合于点Ps；肘关节包含1个自由度(关节4)，旋转中心为Pe；腕关节包含3个自由度(关节5-7)且旋转中心重合于点Pw，如图2a～图2b所示。运动学参数简化为四组：lbs、lse、lew、lwt分别表示：基坐标系原点到1关节坐标原点(同时也是2、3关节坐标原点)距离、1关节坐标原点(同时也是2、3关节坐标原点)到4关节坐标原点距离、4关节坐标原点到5关节坐标原点(同时也是6、7关节坐标原点)距离、5关节坐标原点(同时也是6、7关节坐标原点)到工具末端距离。点Ps、Pe、Pw分别肩、肘、腕各自坐标系的原点。步骤2：根据末端期望位置和姿态求解出“肩-腕”中心直线段在基坐标系中的向量其中，上标“0”表示在基坐标系的向量，为基坐标系中的原点到1关节坐标原点距离。步骤3：根据上臂长lse(“肩-肘”长)、下臂长lew(“肘-腕”长)和“肩-腕”长构成的三角形，求解肘关节(4关节)角θ4，根据求解θ4。此时θ4存在2种不同符号的解，当操作空间轨迹点为离散情况，实际确实存在2组合理解，由人为选取。当操作空间轨迹点为连续情况，实际存在1组合理解，即前后两个规划周期内的转角之差不发生大跳变(在阈值范围内)的情况，此时根据前一周期关节角度θ4,k-1符号判断，当θ4,k-1>0时θ4>0，反之θ4<0，θ4＝0的情况不存在，已超出工作空间；步骤4：求解出“肩-腕”中心直线段在3关节坐标系中的向量再结合基坐标系中的向量同时取3关节角度固定不变情况θ3＝0，综合求解此时1关节θ1_0和2关节角度θ2_0，分别表示4关节坐标系相对于3关节坐标系的旋转矩阵、3关节坐标系中上臂长、4关节坐标系中下臂长，其中，表示当θ3＝0时由关节1夹角θ1_0确定的1关节相对于基座的旋转矩阵，表示当θ3＝0时由关节2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：将机器人的七个自由度配置成肩‑肘‑腕结构，由基座至末端依次定义为关节1～7；其中，肩关节包含关节1～3的3个自由度且旋转中心重合于点Ps；肘关节即关节4包含1个自由度，旋转中心为Pe；腕关节包含关节5～7的3个自由度且旋转中心重合于点Pw；步骤2：根据末端期望位置

【技术特征摘要】
1.一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：将机器人的七个自由度配置成肩-肘-腕结构，由基座至末端依次定义为关节1～7；其中，肩关节包含关节1～3的3个自由度且旋转中心重合于点Ps；肘关节即关节4包含1个自由度，旋转中心为Pe；腕关节包含关节5～7的3个自由度且旋转中心重合于点Pw；步骤2：根据末端期望位置和姿态求解出肩-腕中心直线段在基坐标系中的向量步骤3：根据肩-肘长即上臂长lse、肘-腕长即下臂长lew和肩-腕长构成的三角形，求解肘关节即关节4角度θ4；步骤4：求解出肩-腕中心直线段在关节3坐标系中的向量再结合基坐标系中的向量同时取关节3角度固定不变情况θ3＝0，综合求解此时关节1角度θ1_0和2关节角度θ2_0；将此时由θ1_0和θ2_0确定的肩-肘-腕平面定义为参考平面；步骤5：由肩-肘-腕的三个旋转中心组成的空间平面与参考平面夹角为冗余角建立肩关节和腕关节6个关节的角度θ1、θ2、θ3、θ5、θ6、θ7与冗余角的函数关系其中θ＝[θ1,θ2,θ3,θ5,θ6,θ7]T；步骤6：将多变量优化问题转化为单变量优化问题；根据优化目标，求解代价函数且满足约束条件得到最优化冗余角步骤7：根据冗余角和步骤5中关系，分别求解肩关节角度θ1、θ2、θ3和腕关节角度θ5、θ6、θ7。2.根据权利要求1所述的一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，其特征在于所述向量表示基坐标系原点到关节1坐标原点距离，lwt表示关节5坐标原点到末端距离。3.根据权利要求1所述的一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法，其特征在于所述向量分别表示关节4坐标系相对于关节3坐标系的旋转矩阵、关节3...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵忆文，王争，杜惠斌，侯澈，李英立，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21