六轴机器人的反力逆解方法和六轴机器人技术

本发明专利技术涉及一种六轴机器人的反力逆解方法和六轴机器人。本发明专利技术提出的六轴机器人的反力逆解方法是结合机器人运动学基础理论的一种几何解法，可直观地显示六轴机器人的几何含义，将常规刚体运动学和机器人学理论结合，且仅涉及到基本数学运算和矩阵的基本运算，无迭代运算过程，编程后计算速度较高，通过本发明专利技术的六轴机器人的反力逆解方法，可用于六轴机器人开发前的运动学仿真，可获取电缸的推力值或拉力值，指导六轴机器人零部件的选型，检验六轴机器人承力位置的受力大小和方向是否在允许范围之内。

【技术实现步骤摘要】
六轴机器人的反力逆解方法和六轴机器人
本专利技术涉及工业机器人
，特别是涉及一种六轴机器人的反力逆解方法和六轴机器人。
技术介绍
并联机器人相较于串联机器人具有刚度大，精度高，负载自重比较大的特点，在定位平台，仿真设备，娱乐设备等领域已有广泛的应用，其在自动化加工应用场景的潜力很大。在目前的学术和商用领域，绝大多数六轴机器人采用6-6UPS或者6-6UPU构型。6-6UPS表示在静平台上设置6个虎克铰关节，在动平台上设置6个球绞关节。静平台上的每个虎克铰关节和动平台上的虎克绞关节中间均通过电缸连接，电缸的活塞杆可以伸缩。6个电缸的活塞杆伸缩可导致动平台的位置和姿态变化，共6个自由度。6-6UPU表示在静平台上设置6个虎克铰关节，在动平台上设置6个虎克铰关节。静平台上的每个虎克铰关节和动平台上的每个虎克绞关节中间均通过电缸连接，电缸的活塞杆可以伸缩。6个电缸的活塞杆伸缩可导致动平台的位置和姿态变化，共6个自由度。为了研制新型并联机器人的控制系统，实现并联机器人的基本运动，反力逆解方法是首先需要解决的问题，反力逆解方法可用于六轴机器人开发前的运动学仿真，指导零部件的选型。当给定工作位置和负载，通过反力求解算法可计算出电缸的推力值或拉力值，检验电缸的选型是否正确。但现有的商业运动学和动力学仿真软件为闭源软件，设计人员无法了解其运行机理。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种六轴机器人的反力逆解方法和六轴机器人，可用于该六轴机器人开发前的运动学仿真，并指导零部件的选型。第一方面，本专利技术提供了一种六轴机器人的反力逆解方法，所述六轴机器人包括静平台(100)、动平台(200)、虎克铰组件(300)、关节组件(400)和电缸组件(500)；所述关节组件(400)包括：轴承座(420)；交叉轴壳体(430)，所述交叉轴壳体(430)转动设置在所述轴承座(420)上；轴耳(433)，所述轴耳(433)转动设置在所述交叉轴壳体(430)上，所述轴耳(433)在所述交叉轴壳体(430)上的旋转轴线与所述交叉轴壳体(430)在所述轴承座(420)上的旋转轴线相交且相互垂直，在所述轴耳(433)上设置有两个轴承孔(441)，所述两个轴承孔(441)关于所述轴耳(433)在所述交叉轴壳体(430)上的旋转轴线对称分布，所述两个轴承孔(441)的轴线相互平行且位于同一水平面上，所述轴承孔(441)的轴线与所述交叉轴壳体(430)在所述轴承座(420)上的旋转轴线相互垂直；所述虎克铰组件安装在所述静平台(100)上，所述关节组件(400)安装在所述动平台(200)上，所述电缸组件(500)的一端安装在所述虎克铰组件(300)上，所述电缸组件(500)的另一端通过承力销轴(410)转动连接在所述关节组件(400)的所述轴耳(433)上，所述承力销轴(410)转动设置在所述轴耳(433)的所述轴承孔(441)内；在所述静平台(100)上安装有六个所述虎克铰组件(300)，所述六个虎克铰组件(300)分别为第一虎克铰B1、第二虎克铰、第三虎克铰、第四虎克铰、第五虎克铰、第六虎克铰，在所述动平台(200)上设置有三个所述关节组件(400)；所述方法包括如下步骤：S1：建立基于该六轴机器人的运动学模型，在静平台100上建立直角坐标系{O}为基坐标系，在动平台200上建立直角坐标系{P}为动平台坐标系；S2：获取末端动平台坐标系相对于静平台基坐标系的给定位置OOP和给定姿态值ORP；S3：获取虎克铰虚拟圆半径Rb，虎克铰位置偏置角βi，i＝1～6，通过Rb乘以绕Z轴旋转角度矩阵计算公式再乘以Y轴单位向量，得到虎克铰位置向量OOB1～OOB6；S4：根据交叉轴虚拟圆半径RQ，轴耳原点分布角度i＝1～6，通过RQ乘以绕Z轴旋转角度矩阵计算公式再乘以Y轴单位向量，得到轴耳位置向量PPQi，i＝1～3；S5：根据所述给定位置OOP和所述给定姿态ORP，根据所述轴耳位置向量PPQi，i＝1～3和所述虎克铰位置向量OOB1～OOB6，再根据机器人学理论中的坐标旋转定理和向量的基本运算定理，得到虎克铰-轴耳向量oBQi,i＝1～6；S6：根据所述给定姿态ORP，oDi向量分布角度，再根据机器人学理论中的坐标旋转定理，通过ORP乘以绕Z轴旋转角度矩阵计算公式再乘以Y轴单位向量，得到交叉轴横轴向量oDi，i＝1～3；S7：根据虎克铰-轴耳向量oBQ3和oBQ2，通过向量的叉乘oBQ3×(-oBQ2)，求模||oBQ3×(-oBQ2)||，除法计算后，得到分量OzQ1，根据分量OzQi，获取分量OyQi和分量OxQi，根据分量OzQi、分量OyQi和分量OxQi，得到ORQi，i＝1～3；S8：计算使用X绝对偏移值QAX和Y绝对偏移值QAY为元素，构建以{Q}坐标系为参考系的轴耳-旋转中心向量QjQAi，i＝1～6,j＝1～3；S9：根据轴耳坐标系旋转矩阵ORQi，i＝1～3，轴耳-旋转中心向量QjQAi，i＝1～6,j＝1～3，将ORQi乘以QQAi得到以基坐标系{O}为参考系的轴耳-旋转中心向量OQAi，i＝1～6；S10：根据轴耳-旋转中心向量QQAi，i＝1～6和虎克铰-轴耳向量oBQi,i＝1～6，再使用向量的基本运算，得到电缸位置向量OBAi,i＝1～6；S11：获得交叉轴受力偏角θ1～θ3，；S12：根据向量的点乘积原理，获得电缸-轴耳受力偏角γ1～γ6；S13：构建成由15个方程构成的方程组及其矩阵形式Fin＝A*Fb；S14：从系数矩阵A中计算包含反力FA1～FA6在内的15个未知数向量Fb，从Fb中提取出第7至12项，得到FA1～FA6，即每个电缸的反力值。第二方面，本专利技术提供了一种六轴机器人，包括：至少一个存储器以及至少一个处理器；所述存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如本专利技术第一方面所述的六轴机器人的反力逆解方法的步骤。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。附图说明图1为实施例所述的六轴机器人的结构示意图；图2为实施例所述的六轴机器人的爆炸示意图；图3为实施例所述的虎克铰组件与静平台的连接示意图；图4为实施例所述的关节组件、电缸组件、动平台的连接示意图；图5为实施例所述的虎克铰组件在静平台上的分布示意图；图6为实施例所述的虎克铰组件的爆炸示意图；图7为实施例所述的虎克铰组件的固定轴系的连接示意图；图8为实施例所述的虎克铰组件的摆动轴系的连接示意图；图9为实施例所述的关节组件在动平台上的分布示意图；图10为实施例所述的关节组件的爆炸示意图；图11为实施例所述的关节组件的组装示意图；图12为实施例所述的交叉轴壳体的内部示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六轴机器人的反力逆解方法，其特征在于，所述六轴机器人包括静平台(100)、动平台(200)、虎克铰组件(300)、关节组件(400)和电缸组件(500)；/n所述关节组件(400)包括：/n轴承座(420)；/n交叉轴壳体(430)，所述交叉轴壳体(430)转动设置在所述轴承座(420)上；/n轴耳(433)，所述轴耳(433)转动设置在所述交叉轴壳体(430)上，所述轴耳(433)在所述交叉轴壳体(430)上的旋转轴线与所述交叉轴壳体(430)在所述轴承座(420)上的旋转轴线相交且相互垂直，在所述轴耳(433)上设置有两个轴承孔(441)，所述两个轴承孔(441)关于所述轴耳(433)在所述交叉轴壳体(430)上的旋转轴线对称分布，所述两个轴承孔(441)的轴线相互平行且位于同一水平面上，所述轴承孔(441)的轴线与所述交叉轴壳体(430)在所述轴承座(420)上的旋转轴线相互垂直；/n所述虎克铰组件安装在所述静平台(100)上，所述关节组件(400)安装在所述动平台(200)上，所述电缸组件(500)的一端安装在所述虎克铰组件(300)上，所述电缸组件(500)的另一端通过承力销轴(410)转动连接在所述关节组件(400)的所述轴耳(433)上，所述承力销轴(410)转动设置在所述轴耳(433)的所述轴承孔(441)内；在所述静平台(100)上安装有六个所述虎克铰组件(300)，所述六个虎克铰组件(300)分别为第一虎克铰B...

【技术特征摘要】
1.一种六轴机器人的反力逆解方法，其特征在于，所述六轴机器人包括静平台(100)、动平台(200)、虎克铰组件(300)、关节组件(400)和电缸组件(500)；
所述关节组件(400)包括：
轴承座(420)；
交叉轴壳体(430)，所述交叉轴壳体(430)转动设置在所述轴承座(420)上；
轴耳(433)，所述轴耳(433)转动设置在所述交叉轴壳体(430)上，所述轴耳(433)在所述交叉轴壳体(430)上的旋转轴线与所述交叉轴壳体(430)在所述轴承座(420)上的旋转轴线相交且相互垂直，在所述轴耳(433)上设置有两个轴承孔(441)，所述两个轴承孔(441)关于所述轴耳(433)在所述交叉轴壳体(430)上的旋转轴线对称分布，所述两个轴承孔(441)的轴线相互平行且位于同一水平面上，所述轴承孔(441)的轴线与所述交叉轴壳体(430)在所述轴承座(420)上的旋转轴线相互垂直；
所述虎克铰组件安装在所述静平台(100)上，所述关节组件(400)安装在所述动平台(200)上，所述电缸组件(500)的一端安装在所述虎克铰组件(300)上，所述电缸组件(500)的另一端通过承力销轴(410)转动连接在所述关节组件(400)的所述轴耳(433)上，所述承力销轴(410)转动设置在所述轴耳(433)的所述轴承孔(441)内；在所述静平台(100)上安装有六个所述虎克铰组件(300)，所述六个虎克铰组件(300)分别为第一虎克铰B1、第二虎克铰、第三虎克铰、第四虎克铰、第五虎克铰、第六虎克铰，在所述动平台(200)上设置有三个所述关节组件(400)；
所述方法包括如下步骤：
S1：建立基于该六轴机器人的运动学模型，在静平台100上建立直角坐标系{O}为基坐标系，在动平台200上建立直角坐标系{P}为动平台坐标系；
S2：获取末端动平台坐标系相对于静平台基坐标系的给定位置OOP和给定姿态值ORP；
S3：获取虎克铰虚拟圆半径Rb，虎克铰位置偏置角βi，i＝1～6，通过Rb乘以绕Z轴旋转角度矩阵计算公式再乘以Y轴单位向量，得到虎克铰位置向量OOB1～OOB6，其中，Rb表示B1～B6确定的圆的半径，B1～B6为虎克铰原点，分别设置在六个所述虎克铰组件(300)的十字轴中心；虎克铰位置偏置角表示虎克铰位置向量OOBi与基坐标系{O}的y轴的角度；
S4：根据交叉轴虚拟圆半径RQ，轴耳原点分布角度通过RQ乘以绕Z轴旋转角度矩阵计算公式再乘以Y轴单位向量，得到轴耳位置向量PPQi，i＝1～3，其中，RQ表示三个交叉轴原点确定的圆的半径值，表示轴耳分布角度；
S5：根据所述给定位置OOP和所述给定姿态ORP，根据所述轴耳位置向量PPQi，i＝1～3和所述虎克铰位置向量OOB1～OOB6，再根据机器人学理论中的坐标旋转定理和向量的基本运算定理，得到虎克铰-轴耳向量oBQi,i＝1～6；
S6：根据所述给定姿态ORP，oDi向量分布角度，再根据机器人学理论中的坐标旋转定理，通过ORP乘以绕Z轴旋转角度矩阵计算公式再乘以Y轴单位向量，得到交叉轴横轴向量oDi，i＝1～3，其中，oDi，i＝1～3为交叉轴横轴向量，以基坐标系{O}为参考系；oDi向量分布角度表示交叉轴横轴向量oDi与动平台坐标系{P}的y轴的角度；
S7：根据虎克铰-轴耳向量，通过向量的叉乘以及求模、除法计算后，得到分量OzQi，根据分量OzQi，获取分量OyQi和分量OxQi，根据分量OzQi、分量OyQi和分量OxQi，得到ORQi，i＝1～3，其中，ORQi为轴耳坐标系相对于基坐标系{O}的旋转矩阵；
S8：计算使用X绝对偏移值QAX和Y绝对偏移值QAY为元素，构建以{Q}坐标系为参考系的轴耳-旋转中心向量QjQAi，i＝1～6,j＝1～3，其中，QAX表示A1和A2在{Q1}的x轴方向的绝对偏移值，QAY表示A1和A2在{Q1}的y轴方向的绝对偏移值，A1和A2为两个承力销轴(410)的铰链中心点；
S9：根据轴耳坐标系旋转矩阵ORQi，i＝1～3，轴耳-旋转中心向量QjQAi，i＝1～6,j＝1～3，将ORQi乘以QjQAi得到以基坐标系{O}为参考系的轴耳-旋转中心向量OQAi，i＝1～6；
S10：根据轴耳-旋转中心向量QjQAi，i＝1～6,j＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏，田坤淼，李家晖，周文，杨医华，
申请(专利权)人：伯朗特机器人股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44