基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法技术

本发明专利技术公开了基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，属于机器人运动控制方法技术领域。现有技术的六轴六自由度串联机器人的运动控制方法，仅适用于满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人，对不满足pipper准则六轴六自由度串联机器人的控制精度不高，控制过程繁琐。本发明专利技术提出一种新的建立在相同关节坐标系的解析控制方法，在对六轴六自由度串联机器人建立坐标系时，所有的关节坐标系均与机器人基坐标系坐标方向一致，并采用“标定法”和“转换法”的方式来对不满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人进行处理，控制过程简单有序，能够有效减少计算量，并且适用于不满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人，控制精度高。

Control method of six degree of freedom series robot based on Pipper criterion

The invention discloses a control method of a six degree of freedom series robot which is not satisfied with the Pipper criterion, and belongs to the technical field of the robot motion control method. The motion control method of the six axis six DOF serial robot in the existing technology is only suitable for the six axis six DOF serial robot satisfying the Pipper criterion, and the control accuracy of the six axis six DOF serial robot which does not meet the Pipper criterion is not high, and the control process is cumbersome. The present invention provides a new method for establishing control analysis in the same joint coordinate system, the robot coordinate system is established on six axis with six degrees of freedom, all of the joint coordinate system and coordinate direction of the robot base coordinate system, and adopt the \calibration method\ and \conversion\ to not meet Pipper standard six axis six DOF serial robot, the control process is simple and orderly, can effectively reduce the amount of calculation, and is suitable for Pipper six axis does not meet the criteria of six DOF serial robot, high control precision.

【技术实现步骤摘要】
基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法
本专利技术涉及基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，属于机器人运动控制方法

技术介绍
常规的机器人运动学求解方法主要有3种：DH参数法、几何法和解析法。DH参数法是一种广泛应用的方法，它对关节坐标系的建立要求非常苛刻，必须按照指定的原则执行，而且繁琐的矩阵运算，不利于体现算法的实时性。几何法一般求解较困难，通用性不好，只适用于自由度较少的机械机构。常规的解析法适合结构简单、易于分析的机器人，但运算过程中往往会出现反正弦和反余弦的求解，这样机器人逆运动学计算时就会出现多解。但是，传统的解析控制方法只适用于满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人-即其用来控制机器人末端姿态的最后三个关节的关节轴线相交于一点。如果这三个关节的关节轴线不是相交于一点的话，那么它们之间就一定存在某一个位置上的相对偏置。并且，这个偏置的位姿状态还会随着最后三个关节的运动状态变化而改变。由于该偏置长度的位置状态具有一定的不确定性，而且其对机器人末端的位姿状态也有着显著的影响。所以，我们无法通过常规的解析控制方法来对这种不满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人进行运动控制，导致对该类型的机器人控制过程繁琐，计算量大，控制精度不高。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种能够准确控制不满足pipper准则的六自由度串联机器人运动的控制过程简单，计算量少的机器人的控制方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，包括以下步骤：步骤一：将不满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人进行同等变化，使其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人模型上；步骤二：在对所述六轴六自由度串联机器人进行正运动学分析的时候，预留出偏置的矢量方向参数；步骤三：根据之前求得的偏置的矢量方向参数，对所述六轴六自由度串联机器人进行坐标变化，将其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人；步骤四：基于解析法对其进行逆运动学分析和计算；步骤五：对所述六轴六自由度串联机器人在进行逆运动学分析过程中存在的问题进行相关补充和说明；步骤六：把求解出的运动参数，发到运动控制卡，对不满足pipper准则六轴六自由度串联机器人进行控制。本专利技术提出一种新的建立在相同关节坐标系的解析控制方法，控制过程简单有序，能够有效减少计算量，并且适用于不满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人，控制精度高。作为优选技术措施，步骤一：将所述六轴六自由度串联机器人进行同等变化，使其变换成满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人模型。虽然该类型串联机器人不满足pieper准则，但经过相应变形之后，依然能够通过DH参数模型计算，将六轴串联机械机器人的末端执行臂进行了一定程度上的变换，使得末端最后三个转动关节轴线的延长线相交于一点。作为优选技术措施，步骤二：在对该类型六轴六自由度串联机器人进行正运动学分析的时候，预留出偏置的矢量方向参数。机器人正运动学分析就是已知杆件几何参数和关节角矢量，求机器人末端执行器相对于固定参考坐标的位置和姿态。在进行机器人正运动学分析之前，希望建立坐标系{i}相对于坐标系{i-1}的变换。一般这个变换是由四个参数构成的。对任意给定的机器人，这个变换是只有一个变量的函数，另外三个参数是由机械系统来确定的。该六轴六自由度串联机器人的连杆间变换参数如表所示。表六轴六自由度串联机器人的连杆间变换参数表其中：ai为沿第i坐标系下的Xi轴，从第i坐标系下的Zi轴方向移动到第i+1坐标系下Zi+1轴的距离；αi为绕第i坐标系下的Xi轴，从第i坐标系下的Zi轴旋转到第i+1坐标系下的Zi+1轴的角度；di为沿第i坐标系下的Zi轴，从第i-1坐标系下的Xi-1轴移动到第i坐标系下的Xi轴的距离；θi为绕第i坐标系下的Zi轴，从第i-1坐标系下的Xi-1轴旋转到第i坐标系下的Xi轴的角度。用齐次坐标变换矩阵来表示机器人的正解运算(表示得是从i坐标到j坐标系之间的4×4的传递矩阵；式中：将sθi表示的是sinθi；cθi表示的是cosθ1。且i＝1，2，3...6)：其中：θ23＝θ2+θ3nx＝cθ1cθ23cθ4cθ5+sθ1sθ4cθ5+cθ1sθ23sθ5ny＝sθ1sθ23sθ5+sθ1cθ23cθ4cθ5-cθ1sθ4cθ5nz＝cθ23Sθ5-sθ23cθ4cθ5ox＝sθ1cθ4-cθ1cθ23sθ4oy＝-cθ1cθ4-sθ1cθ23sθ4oz＝sθ23sθ4ax＝cθ1cθ23cθ4sθ5-cθ1sθ23cθ5+sθ1sθ4Sθ5ay＝sθ1cθ23cθ4sθ5-sθ1sθ23cθ5-cθ1sθ4sθ5az＝-sθ23cθ4sθ5-cθ23cθ5px＝-d4cθ1sθ23+l2cθ1cθ2+d3sθ1-d2sθ1+d6ax+l6oxpy＝-d4sθ1sθ23+l2sθ1cθ2+d2cθ1-d3cθ1+d6ay+l6oypz＝-d4cθ23-l2sθ2+d6az+l6oz值得注意的是：这里计算的出来的ox、oy、oz与下文中引用的ox5、oy5、oz5参数数值是一致的。将θ6＝0带入上述方程中，不难发现：这三个参数描述的正是偏执所在的矢量方向。作为优选技术措施，步骤三：根据之前求得的偏置的矢量方向参数，对所述六轴六自由度串联机器人进行坐标变换，将其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人上。逆运动学分析是已知机器人杆件的几何参数，给定末端执行器相对于固定参考坐标系的期望位置和姿态(其中，px′、py′、pz′表示的是末端执行器的坐标位置，nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az表示的是末端执行器的坐标姿态)，分析机器人能否使其末端执行器达到这个预期的位姿。对于逆运动学分析而言，末端坐标系姿态的坐标是已知的，也就是说各项参数已知。但是由于θ6的不确定性，无法通过已知，由来得出变换矩阵。在这里，能够采取“标定法”来解决这样的问题。将上述正运动学分析求解出来的得出的ox5、oy5、oz5加入到整个逆运动学分析中来，并对已知数据进行预处理：其中：px′、py′、pz′为已知参数，将改动后的px、py、pz带入矩阵中。之所以要对已知数据进行预处理，是因为该串联机器人不满足pieper准则。与传统的多轴串联机器人相比较而言，该类型多轴串联机器人的末端三个关节的关节轴线的延长线未能相交于一点。那么它们之间其在末端执行器上的某一个位置上多出一个的相对的横向偏置。并且，这个偏置的位姿状态还会随着最后三个关节的运动状态变化而改变。由于该偏置长度的位置状态具有一定的不确定性，而且其对机器人末端的位姿状态也有着显著的影响。只有采取对其末端坐标参数px′、py′、pz′进行预先处理的方法，才能消除由上述偏置不确定对求解问题所造成的影响，从而进行进一步的逆运动学分析和过程推导。实际上，这种处理方式只是将原有的、不满足pieper准则串联机器人转换成满足pieper准则的串联机器人而已。作为优选技术措施，步骤四：基于解析法对其进行逆运动学分析和计算。由公式可得：对于第一个轴关节角度，由上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：将不满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人进行同等变化，使其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人模型上；步骤二：在对所述六轴六自由度串联机器人进行正运动学分析的时候，预留出偏置的矢量方向参数；步骤三：根据之前求得的偏置的矢量方向参数，对所述六轴六自由度串联机器人进行坐标变化，将其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人；步骤四：基于解析法对其进行逆运动学分析和计算；步骤五：对所述六轴六自由度串联机器人在进行逆运动学分析过程中存在的问题进行相关补充和说明；步骤六：把求解出的运动参数，发到运动控制卡，对不满足pipper准则六轴六自由度串联机器人进行控制。

【技术特征摘要】
1.基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：将不满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人进行同等变化，使其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人模型上；步骤二：在对所述六轴六自由度串联机器人进行正运动学分析的时候，预留出偏置的矢量方向参数；步骤三：根据之前求得的偏置的矢量方向参数，对所述六轴六自由度串联机器人进行坐标变化，将其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人；步骤四：基于解析法对其进行逆运动学分析和计算；步骤五：对所述六轴六自由度串联机器人在进行逆运动学分析过程中存在的问题进行相关补充和说明；步骤六：把求解出的运动参数，发到运动控制卡，对不满足pipper准则六轴六自由度串联机器人进行控制。2.如权利要求1所述的基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，其特征在于：步骤一：将所述六轴六自由度串联机器人进行同等变化，使其变换成满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人模型；虽然该类型串联机器人不满足pieper准则，但经过相应变形之后，依然能够通过DH参数模型计算，将六轴串联机械机器人的末端执行臂进行了一定程度上的变换，使得末端最后三个转动关节轴线的延长线相交于一点。3.如权利要求2所述的基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，其特征在于：步骤二：机器人正运动学分析就是已知杆件几何参数和关节角矢量，求机器人末端执行器相对于固定参考坐标的位置和姿态；在进行机器人正运动学分析之前，建立坐标系{i}相对于坐标系{i-1}的变换；一般这个变换是由四个参数构成的；对任意给定的机器人，这个变换是只有一个变量的函数，另外三个参数是由机械系统来确定的；该六轴六自由度串联机器人的连杆间变换参数如下表所示；其中：ai为沿第i坐标系下的Xi轴，从第i坐标系下的Zi轴方向移动到第i+1坐标系下Zi+1轴的距离；αi为绕第i坐标系下的Xi轴，从第i坐标系下的Zi轴旋转到第i+1坐标系下的Zi+1轴的角度；di为沿第i坐标系下的Zi轴，从第i-1坐标系下的Xi-1轴移动到第i坐标系下的Xi轴的距离；θi为绕第i坐标系下的Zi轴，从第i-1坐标系下的Xi-1轴旋转到第i坐标系下的Xi轴的角度；用齐次坐标变换矩阵来表示机器人的正解运算：(表示得是从i坐标到j坐标系之间的4×4的传递矩阵；式中：将sθi表示的是sinθi；cθi表示的是cosθ1。且i＝1，2，3...6)其中：θ23＝θ2+θ3nx＝cθ1cθ23cθ4cθ5+sθ1sθ4cθ5+cθ1sθ23sθ5ny＝sθ1sθ23sθ5+sθ1cθ23cθ4cθ5-cθ1sθ4cθ5nz＝cθ23sθ5-sθ23cθ4cθ5ox＝sθ1cθ4-cθ1cθ23sθ4oy＝-cθ1cθ4-sθ1cθ23sθ4oz＝sθ23sθ4ax＝cθ1cθ23cθ4sθ5-cθ1sθ23cθ5+sθ1sθ4sθ5ay＝sθ1cθ23cθ4sθ5-sθ1sθ23cθ5-cθ1sθ4sθ5az＝-sθ23cθ4sθ5-cθ23cθ5px＝-d4cθ1sθ23+l2cθ1cθ2+d3sθ1-d2sθ1+d6ax+l6oxpy＝-d4sθ1sθ23+l2sθ1cθ2+d2cθ1-d3cθ1+d6ay+l6oypz＝-d4cθ23-l2sθ2+d6az+l6oz值得注意的是：这里计算的出来的ox、oy、oz与下文中引用的ox5、oy5、oz5参数数值是一致的；将θ6＝0带入上述方程中，不难发现：这三个参数描述的正是偏执所在的矢量方向；其中，px’、py’、pz’表示的是末端执行器的坐标位置，nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az表示的是末端执行器的坐标姿态。4.如权利要求3所述的基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，其特征在于：步骤三：根据之前求得的偏置的矢量方向参数，对所述六轴六自由度串联机器人进行坐标变换，将其变换到满足pipper准则的六轴六自由度串联机器人上；逆运动学分析是已知机器人杆件的几何参数，给定末端执行器相对于固定参考坐标系的期望位置和姿态(其中，px’、py’、pz’表示的是末端执行器的坐标位置，nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az表示的是末端执行器的坐标姿态)，分析机器人能否使其末端执行器达到这个预期的位姿；对于逆运动学分析而言，末端坐标系姿态的坐标是已知的，也就是说各项参数已知；但是由于θ6的不确定性，无法通过已知，由来得出变换矩阵；在这里，能够采取“标定法”来解决这样的问题；将上述正运动学分析求解出来的得出的ox5、oy5、oz5加入到整个逆运动学分析中来，并对已知数据进行预处理：其中：px′、py′、pz′为已知参数，将改动后的px、py、pz带入矩阵中；之所以要对已知数据进行预处理，是因为该串联机器人不满足pieper准则；与传统的多轴串联机器人相比较而言，该类型多轴串联机器人的末端三个关节的关节轴线的延长线未能相交于一点；那么它们之间其在末端执行器上的某一个位置上多出一个的相对的横向偏置；并且，这个偏置的位姿状态还会随着最后三个关节的运动状态变化而改变；由于该偏置长度的位置状态具有一定的不确定性，而且其对机器人末端的位姿状态也有着显著的影响；只有采取对其末端坐标参数px′、py′、pz′进行预先处理的方法，才能消除由上述偏置不确定对求解问题所造成的影响，从而进行进一步的逆运动学分析和过程推导；实际上，这种处理方式只是将原有的、不满足pieper准则串联机器人转换成满足pieper准则的串联机器人而已。5.如权利要求4所述的基于不满足pipper准则的六自由度串联机器人的控制方法，其特征在于：步骤四：基于解析法对其进行逆运动学分析和计算；由公式可得：对于第一个轴关节角度，由上述方程两边的元素(2，4)相等，得到：式中：注意：上式中存在正负号，θ1能够有多个解；现在，θ1已知；对于第三个关节角度，由上述方程两边的元素(1，4)、(3，4)相等(其中元素(1，4)是指等式两侧矩阵第1行第4列参数)，得到：其中：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亮亮，王杰，史伟民，王飞，胡斌，王刘奎，李翔，钱良珠，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33