基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统，包括以下步骤：S1，执行机器人位姿初始化调整业务流程；S2，设置机器人末端执行器的目标位姿；S3，调用逆向运动学算法，计算机器人的多电机驱动单元的目标调整量；S4，驱动末端执行器向目标位姿调整；S5，调用正向运动学算法确定末端执行器调整后的位姿；S6，比较末端执行器调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差是否超过预设的误差范围，若超过，则返回步骤S2，直至末端执行器调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差在预设的误差范围内。本发明专利技术基于机器人控制的运动学方法，简化了正向运动学的推导求解方法，使得对机器人运动学建模时，可灵活规定各关节轴的轴向定义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统


[0001]本专利技术属于机器人控制
，具体涉及一种基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统。

技术介绍

[0002]随着我国先进制造技术的发展，多自由度机器人以其自动化、高效化和智能化优势，将在高端制造、空间遥操作和智能自主系统等领域获得广泛应用。多自由度机器人的运动控制会影响到位姿可达工作空间与目标指向精度，两者之间的有效协同将决定多自由度机器人的工作性能。常用的机器人控制方法主要有两种：第一种为按照实际轨迹与期望轨迹的偏差进行负反馈控制的运动学方法，该方法控制规律简单、易于实现，但难以保证良好的动态品质，需要较大的控制能量；第二种是根据动力学模型设计非线性控制规律的动力学方法，该方法可实现良好的动态品质，但需要实时进行动力学计算、实时控制困难。
[0003]在机器人控制的运动学方法中，需要推导求解的主要包括：正向运动学和逆向运动学，其中正向运动学的求解方法主要是DH坐标系法，需对机器人进行运动学建模，得到DH参数，代入相应公式即可求解出结果。逆向运动学的求解方法主要分为两大类：封闭解和数值解。前者适用于结构满足Pieper准则的机器人，即机器人的三个相邻关节轴交于一点或三轴线平行，该解法求解简单、速度快且能求出机器人各关节的准确解。但对于结构不满足Pieper准则的机器人，很难求得其封闭解。运用数值解法，可针对任意结构的串联式机器人求解出唯一解，且求解过程不会碰到奇异形位的问题，但求解速度相较封闭解较慢，例如，采用雅可比矩阵迭代法求解时一般需要迭代多次才能求解出准确解。
[0004]机器人的空间位姿仿真可通过机器人仿真软件等实现，例如：在Matlab中安装使用Robotic Toolbox工具箱，对机器人进行运动学建模，设置相应的DH参数，即可得到不同关节变量下的机器人空间位姿仿真图，该方法得到的机器人空间位姿一般依靠运动学标定，通过正向运动学推导出相应关节节点的空间坐标。
[0005]在现有的机器人控制的运动学方法中，关于正向运动学的求解一般采用DH坐标系法，但该方法分为标准型和改进型，两者有较大区别，需要一定的理论基础甄别，且不能灵活规定各关节轴的轴向定义；通过数值法中的雅可比矩阵迭代法求解逆向运动学时，可利用雅可比矩阵J(q)将末端执行器由当前位姿向目标位姿运动时的微分移动Δv和微分转动Δω与关节微分运动矢量Δq联系起来，但微分运动的表示方法有很多种，比如旋转矩阵、欧拉角、四元数等，不同的表示方法对求解效率有一定的影响。并且，机器人的运动控制和空间位姿仿真一般都作为独立的功能模块，分别执行协同机器人的各运动电机、驱动机器人运动和分析机器人在运动过程中的运动位姿的功能。
[0006]公开号为CN110549334A的中国专利公开了一种四自由度机械手臂的控制方法，控制方法基于控制系统实现，控制系统采用三级控制系统，基于上位机、运动控制器、底层控制器的控制架构实现。所述上位机给运动控制器发送位姿信息及运动模式命令后，运动控制器自行完成机械臂的路径规划及运动学解算得到规划结果，将规划结果发送至底层控制
器，控制伺服电机运动。能实时的反馈命令状态、电机状态、驱动器状态及位置、速度等信息。且系统具有控制通用性，能适用于不同构型的机械臂构型。具有速度前瞻功能和容错/保护机制及硬件保护功能，使机械臂运行过程更平稳、流程、安全。该专利即采用的改进型DH坐标系法来求解机器人的正向运动学模型，不能灵活规定各关节轴的轴向定义，且对于逆向运动学的求解效率较低。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统，在保证正向运动学和逆向运动学求解准确性的前提下，简化正向运动学的求解方法，使运动学建模可灵活规定各关节轴的轴向定义，同时比较多种微分运动的表示方法，提高利用雅可比矩阵求解逆向运动学的效率，并基于运动学标定的方法，设计并实现了一种五自由度机器人运动控制与空间位姿协同仿真系统，实现多功能模块的集成。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统，包括控制侧与仿真侧，所述控制侧与机器人的多电机驱动单元连接，所述仿真侧与控制侧同步连接；
[0010]所述控制侧包括：
[0011]初始化模块，用于对机器人末端执行器的位姿进行初始化调整；
[0012]目标位姿设置模块，用于设置机器人末端执行器的目标位姿；
[0013]数据处理模块，用于调用逆向运动学算法计算机器人末端执行器向目标位姿调整时各电机驱动单元的目标调整量，以及调用正向运动学算法计算机器人末端执行器调整后的位姿；
[0014]电机协同控制模块，用于根据计算得到的目标调整量控制各电机驱动单元调整机器人末端执行器的位姿；
[0015]所述初始化模块、目标位姿设置模块、电机协同控制模块分别与数据处理模块连接；
[0016]当调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差超过预设的误差量级时触发位姿反馈，数据处理模块根据调整后机器人末端执行器的当前位姿与目标位姿，再次调用逆向运动学算法计算机器人末端执行器向目标位姿调整时各电机驱动单元的目标调整量，直至调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差不超过预设的误差量级；
[0017]所述仿真侧用于对控制侧的业务流程进行数据同步，同时对机器人位姿调整过程中的阶段性位姿进行在线仿真，最后对机器人末端执行器的目标位姿进行误差校验与评定。
[0018]具体地，所述仿真系统的仿真方法包括以下步骤：
[0019]S1，对机器人末端执行器的当前位姿进行初始化调整，同时在仿真侧对机器人末端执行器的当前位姿进行在线同步仿真；
[0020]S2，设置机器人末端执行器的目标位姿；
[0021]S3，根据所述机器人末端执行器的当前位姿和目标位姿调用逆向运动学算法，计算机器人各电机驱动单元的目标调整量；
[0022]S4，根据所述目标调整量驱动机器人末端执行器向目标位姿调整，同时在仿真侧
对机器人末端执行器位姿调整过程中的阶段性位姿进行在线仿真；
[0023]S5，根据所述机器人末端执行器的当前位姿和目标调整量调用正向运动学算法，确定末端执行器调整后的位姿；同时在仿真侧对机器人末端执行器的目标位姿进行误差校验与评定；
[0024]S6，比较末端执行器调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差是否超过预设的误差量级，若超过，则执行位姿反馈，返回步骤S3，将调整后的当前位姿代入步骤S3中，得到新的目标调整量，再根据新的目标调整量对机器人末端执行器的位姿进行调整，直至机器人末端执行器调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差不超过预设的误差量级。
[0025]具体地，所述机器人包括三自由度的移动机构、两自由度的转动机构和末端执行器；
[0026]所述移动机构的三个自由度分别定义为沿着X轴、Y轴和Z轴的移动，O1、O2和O3分别为X轴、Y轴和Z轴上的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统，其特征在于，包括控制侧与仿真侧，所述控制侧与机器人的多电机驱动单元连接，所述仿真侧与控制侧同步连接；所述控制侧包括：初始化模块，用于对机器人末端执行器的位姿进行初始化调整；目标位姿设置模块，用于设置机器人末端执行器的目标位姿；数据处理模块，用于调用逆向运动学算法计算机器人末端执行器向目标位姿调整时各电机驱动单元的目标调整量，以及调用正向运动学算法计算机器人末端执行器调整后的位姿；电机协同控制模块，用于根据计算得到的目标调整量控制各电机驱动单元调整机器人末端执行器的位姿；所述初始化模块、目标位姿设置模块、电机协同控制模块分别与数据处理模块连接；当调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差超过预设的误差量级时触发位姿反馈，数据处理模块根据调整后机器人末端执行器的当前位姿与目标位姿，再次调用逆向运动学算法计算机器人末端执行器向目标位姿调整时各电机驱动单元的目标调整量，直至调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差不超过预设的误差量级；所述仿真侧用于对控制侧的业务流程进行数据同步，同时对机器人位姿调整过程中的阶段性位姿进行在线仿真，最后对机器人末端执行器的目标位姿进行误差校验与评定。2.根据权利要求1所述的一种基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统，其特征在于，所述仿真系统的仿真方法包括以下步骤：S1，对机器人末端执行器的当前位姿进行初始化调整，同时在仿真侧对机器人末端执行器的当前位姿进行在线同步仿真；S2，设置机器人末端执行器的目标位姿；S3，根据所述机器人末端执行器的当前位姿和目标位姿调用逆向运动学算法，计算机器人各电机驱动单元的目标调整量；S4，根据所述目标调整量驱动机器人末端执行器向目标位姿调整，同时在仿真侧对机器人末端执行器位姿调整过程中的阶段性位姿进行在线仿真；S5，根据所述机器人末端执行器的当前位姿和目标调整量调用正向运动学算法，确定末端执行器调整后的位姿；同时在仿真侧对机器人末端执行器的目标位姿进行误差校验与评定；S6，比较末端执行器调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差是否超过预设的误差量级，若超过，则执行位姿反馈，返回步骤S3，将调整后的当前位姿代入步骤S3中，得到新的目标调整量，再根据新的目标调整量对机器人末端执行器的位姿进行调整，直至机器人末端执行器调整后的位姿与目标位姿之间的相对误差不超过预设的误差量级。3.根据权利要求2所述的一种基于五自由度机器人的空间位姿在线仿真系统，其特征在于，所述机器人包括三自由度的移动机构、两自由度的转动机构和末端执行器；所述移动机构的三个自由度分别定义为沿着X轴、Y轴和Z轴的移动，O1、O2和O3分别为X轴、Y轴和Z轴上的关节节点，O
x
、O
y
和O
z

【专利技术属性】
技术研发人员：丁飞，张海涛，庄衡衡，章华涛，马海蓉，张美楠，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：