一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法，包括以下步骤：操作拖拽示教机器人的末端完成一次完整的作业，采集路径点进行工业机器人的坐标转换和运动学反解，当所述工业机器人当前位姿对应的关节变量值处于腕部奇异区域边界，且原始目标位姿对应的关节变量值在腕关节奇异区域以内时，将机器人5，6轴进行固连，分别根据第三连杆坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵和工具坐标系相对于连杆坐标系以及工具坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵之积，计算第三连杆坐标系相对于基坐标系的位置矢量，并据此建立方程组对所述方程组进行求解获得处理后目标位姿的各关节变量，从而获得可通过腕部奇异点准确位置的路径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工业机器人路径规划领域，更具体地，涉及一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法。
技术介绍
工业机器人的路径规划方式主要有3种方式：1)示教器示教规划：通过示教器上的操纵杆和按钮控制机器人末端运动到指定位置，记录下位姿信息，实现点位示教，再结合简单的直线或圆弧运动指令控制机器人末端简单轨迹运动；2)引导示教规划：操作人员操作主机器人末端移动要相应位置，将关节角度变化通过位置传感器记录下来直接传递给相同构造的从机器人，使之完成相似运动；3)离线编程规划：通过离线编程软件生成机器人和作业环境的3D模型，并通过指定模型上的曲面曲线或者点位完成作业路径规划，再发送到机器人控制器中进行示教编程，完成末端复杂轨迹运动。使用示教器进行路径示教是目前工业环境下最广泛使用的路径规划方式，具有操作简单，存储信息少的特点，但是大部分只能完成直线或者圆弧的末端路径，一旦作业路径变为复杂曲线，该方法就存在着示教点过多，设置耗时以及路径规划进度低的问题，因此无法完成需要进行复杂路径规划的作业。引导示教的路径规划方法无需复杂操作就可以准确的复现主机器人的运动轨迹，但是因为坐标转换和运动学反解过程中奇异点的存在，要求只有从机器人必须与主机器人具有完全相同的构型，并且基座标位置相同时，运动路径才能复现。而工业现场机器人形式结构多样，要为每种从机器人配置相同结构参数的主机器人则会增加很多成本，局限了主机器人的应用。基于离线编程路径规划集成功能全面，可以生成复杂路径，但是对操作人员知识水平要求较高，不适应当前国内大部分制造行业生产工人的现状。同时需要对作业场景和机器人生成3D模型，比较费时，同时3D模型也会影响生成路径的精度，因此应用不是很广泛。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法，其目的在于提供一种通过微调末端姿态，直接复现原路径中腕部奇异点准确位置的路径规划方法，由此解决现有的工业机器人在遇到腕部奇异点时不能通过或者成本较高的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法，包括以下步骤：操作六自由度拖拽示教机器人的末端完成一次完整的作业，将基于该示教机器人基座标的笛卡尔空间坐标信息实时记录，并根据记录将基于示教机器人基座标的路径点空间坐标转换为基于工业机器人基座标的路径点空间坐标；进行运动学反解，对于工业机器人，当所述工业机器人当前位姿对应的关节变量值处于腕部奇异区域边界且原始目标位姿对应的关节变量值在腕关节奇异区域以内时，则对各关节变量进行以下处理：将腕关节的5轴和6轴固连，即θ5new=θ5minθ6new=θ6,]]>腕关节4轴按照如下参数设定δθ4new=δθ4old+arccos(sin(θ5)sin(θ5min))θ4new=θ4old+δθ4new]]>其中δθ4old为从当前位姿到达原始目标位姿过程中关节运动所需的第四关节增量值，θ4old为机器人当前位姿对应的第四关节变量值，θ5为机器人原始目标位姿对应的第五关节变量值，θ6为机器人原始目标位姿对应的第六关节变量值，θ5min为第五关节变量允许的最小值，θ5new为处理后的目标位姿的第五关节变量值，δθ4new为机器人从当前位姿运动到处理后的目标位姿对应的第四关节增量值，θ4new为处理后的目标位姿的第四关节变量值，θ6new为处理后的目标位姿对应的第六关节变量值；当路径点P相对于工业机器人基座标的笛卡尔空间位置坐标为：时，分别根据第三连杆坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵和工具坐标系相对于连杆坐标系以及工具坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵之积计算第三连杆坐标系相对于基坐标系的位置矢量，并据此建立方程组如下：P30=a2c1c2-s1d2a2s1c2+c1d2-a2s2P30=-R30(TTCP3(-RTCP0TPTCP0))]]>其中，c1＝cosθ1new；s1＝sinθ1new；a2分别为连杆1的长度参数，d2为连杆1，2之间的偏置参数。为末端目标位置相对于工业机器人基座标的笛卡尔空间坐标，表示第三连杆坐标系相对于基座标系的旋转矩阵，表示工具坐标系相对于第三连杆坐标系的齐次变换矩阵，表示工具坐标系相对于基座标系的旋转矩阵；对所述方程组进行求解获得θ1new、θ2new、和θ3new，其中θ1new为处理后的目标位姿的第一关节变量值，θ2new为处理后的目标位姿的第二关节变量值，θ2new为处理后的目标位姿的第三关节变量值；根据θ1new、θ2new、θ3new、θ4new、θ5new和θ6new得出通过腕部奇异点的路径。优选地，所述路径规划方法，其当机器人位姿符合以下条件时判定机器人处于腕部奇异区域：|θ5|＜θ5min。优选地，所述路径规划方法，其对所述方程组进行泰勒展开后，采用牛顿迭代法求解。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)当工业机器人出现腕部奇异点时自动生成奇异点优化路径，通过调整姿态，直接穿越奇异点，实现了位置的准确复现。(2)采用同一类型的示教机器人可以生成不同构型的六关节串联机器人的优化路径，增加了示教机器人的应用范围，方便示教过程。附图说明图1是穿越腕部奇异点的机器人路径规划流程图；图2是实例中所使用的机器人结构图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供的可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法，如图1所示，具体包括以下步骤：S1：操作人员操作六自由度拖拽示教机器人的末端完成一次完整的作业，将基于该示教机器人基座标的笛卡尔空间坐标信息实时记录在文件中。将基于示教机器人基座标的路径点空间坐标转换为基于工业机器人基座标的路径点空间坐标；所述将采样点在示教机器人基座标的转换矩阵转换为在工业机器人基座标的转换矩阵的公式如下：TiA=TB本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：操作六自由度拖拽示教机器人的末端完成一次完整的作业，将基于该示教机器人基座标的笛卡尔空间坐标信息实时记录，并根据记录将基于示教机器人基座标的路径点空间坐标转换为基于工业机器人基座标的路径点空间坐标；进行机器人运动学反解，对于工业机器人，当所述工业机器人当前位姿对应的关节变量值处于腕部奇异区域边界且原始目标位姿对应的关节变量值在腕关节奇异区域以内时，则对各关节变量进行以下处理：将腕关节的5轴和6轴固连，即θ5new=θ5minθ6new=θ6,]]>腕关节4轴按照如下参数设定δθ4new=δθ4old+arccos(sin(θ5)sin(θ5min))θ4new=θ4old+δθ4new]]>其中δθ4old为从当前位姿到达原始目标位姿过程中关节运动所需的第四关节增量值，θ4old为机器人当前位姿对应的第四关节变量值，θ5为机器人原始目标位姿对应的第五关节变量值，θ6为机器人原始目标位姿对应的第六关节变量值，θ5min为第五关节变量允许的最小值，θ5new为处理后的目标位姿的第五关节变量值，δθ4new为机器人从当前位姿运动到处理后的目标位姿对应的第四关节增量值，θ4new为处理后的目标位姿的第四关节变量值，θ6new为处理后的目标位姿对应的第六关节变量值；当路径点P相对于工业机器人基座标的笛卡尔空间位置坐标为：时，分别根据第三连杆坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵和工具坐标系相对于连杆坐标系以及工具坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵之积计算第三连杆坐标系相对于基坐标系的位置矢量，并据此建立方程组如下：30=a2c1c2-s1d2a2s1c2+c1d2-a2s2P30=-P30(TTCP3(-RTCP0TPTCP0))]]>其中，c1＝cosθ1new；s1＝sinθ1new；a2分别为连杆1的长度参数，d2为连杆1，2之间的偏置参数。为末端目标位置相对于工业机器人基座标的笛卡尔空间坐标，表示第三连杆坐标系相对于基座标系的旋转矩阵，表示工具坐标系相对于第三连杆坐标系的齐次变换矩阵，表示工具坐标系相对于基座标系的旋转矩阵；对所述方程组进行求解获得θ1new、θ2new、和θ3new，其中θ1new为处理后的目标位姿的第一关节变量值，θ2new为处理后的目标位姿的第二关节变量值，θ2new为处理后的目标位姿的第三关节变量值；根据θ1new、θ2new、θ3new、θ4new、θ5new和θ6new得出通过腕部奇异点的路径。...

【技术特征摘要】
1.一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法，其特征在于，包括
以下步骤：
操作六自由度拖拽示教机器人的末端完成一次完整的作业，将基于该
示教机器人基座标的笛卡尔空间坐标信息实时记录，并根据记录将基于示
教机器人基座标的路径点空间坐标转换为基于工业机器人基座标的路径点
空间坐标；
进行机器人运动学反解，对于工业机器人，当所述工业机器人当前位姿
对应的关节变量值处于腕部奇异区域边界且原始目标位姿对应的关节变量
值在腕关节奇异区域以内时，则对各关节变量进行以下处理：
将腕关节的5轴和6轴固连，即
θ5new=θ5minθ6new=θ6,]]>腕关节4轴按照如下参数设定
δθ4new=δθ4old+arccos(sin(θ5)sin(θ5min))θ4new=θ4old+δθ4new]]>其中δθ4old为从当前位姿到达原始目标位姿过程中关节运动所需的第四
关节增量值，θ4old为机器人当前位姿对应的第四关节变量值，θ5为机器人原
始目标位姿对应的第五关节变量值，θ6为机器人原始目标位姿对应的第六
关节变量值，θ5min为第五关节变量允许的最小值，θ5new为处理后的目标位姿
的第五关节变量值，δθ4new为机器人从当前位姿运动到处理后的目标位姿对
应的第四关节增量值，θ4new为处理后的目标位姿的第四关节变量值，θ6new为处理后的目标位姿对...

【专利技术属性】
技术研发人员：周向东，宋宝，余晓菁，熊烁，唐小琦，谢文雅，陈天航，谢远龙，黎强，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42