一种基于工业机器人腕部奇异点计算的控制方法技术

本发明专利技术属于工业机器人控制领域，具体的为一种基于工业机器人腕部奇异点计算的控制方法。所述方法包括建立运动学模型、求运动学正解、求速度雅可比矩阵、雅可比矩阵解耦和分析腕部奇异变形。其中运动学正解的求取过程，要经过运动学模型的连杆变换取得，之后取得各个关节的速度雅可比矩阵，并按照关节的平动速度和转动速度，将速度雅可比矩阵解耦为分块矩阵，并求取经过解耦处理的行列式结果，在行列式为零时，则对应的速度为机器人机械臂腕部关节的奇异点，在计算得到了奇异点后，在机器人机械臂的控制中规避奇异点，解决奇异点影响机器人机械臂运行稳定性问题。器人机械臂运行稳定性问题。器人机械臂运行稳定性问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于工业机器人腕部奇异点计算的控制方法


[0001]本专利技术属于工业机器人控制领域，具体的，为一种基于工业机器人腕部奇异点计算的控制方法。

技术介绍

[0002]工业机器人可以对多个运动轴，包括方向、位置和工作流程进行编程。工业机器人通常包括具有多个轴的机器人臂以及可编程控制器(控制装置)，控制器在运行中控制或调整工业机器人的运动过程。
[0003]运动学奇异是机械结构不可避免的固有特性。其不仅限制了机器人真正运行空间，当机器人运动到奇异点时，其雅可比矩阵不存在逆解，从而使关节跟踪速度和加速度无穷大，形成冲击进而将造成工业机器人稳定性变差，跟踪能力下降等问题，这些不足严重影响机器人的运动性能。
[0004]针对机器人运动学奇异位形问题，提出一种计算六轴机器人腕部奇异位形的方法。通过计算出机器人处于奇异位形时各关节的状态，使机器人远离奇异位形，提高工业机器人性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于计算工业机器人奇异位形的控制方法，可以克服机器人在奇异位形时稳定性差的缺陷。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，
[0007]一种基于工业机器人腕部奇异点计算的控制方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：定义基坐标系和机器人机械臂关节坐标系，且保证机器人关节坐标系与基坐标系方向相同，根据机器人运动参数，建立机器人运动学模型；
[0009]步骤二：根据机器人机械臂运动学模型的连杆变换，求取机器人运动学正解；
[0010]步骤三：求解机器人机械臂的速度雅可比矩阵，得到包括机器人关节平动速度和转动速度的速度雅可比矩阵；
[0011]步骤四：对求取的速度雅可比矩阵进行解耦运算，将该矩阵按照平动速度和转动速度分为多个矩阵；
[0012]步骤五：根据解耦后的速度雅可比矩阵，计算整个雅可比矩阵的行列式结果，在行列式结果为零时，则为机器人机械臂的奇异点；
[0013]步骤六：在得到机器人机械臂的奇异点后，根据绕开奇异点的轨迹对机器人机械臂的控制。
[0014]所述对机器人进行运动学模型的连杆变换，其变换矩阵为：
[0015][0016][0017][0018]并计算机器人运动学正解，计算公式和结果为：
[0019][0020]其中：
[0021]n
x
＝
‑
s5(s1s4+c4(c1c2s3+c1c3s2))
‑
c5(c1s2s3‑
c1c2c3)
[0022]n
y
＝s5(c1s4‑
c4(c2s1s3+c3s1s2))
‑
c5(s1s2s3‑
c2c3s1)
[0023]n
z
＝
‑
s
23
c5‑
c
23
c4s5[0024]o
x
＝s6(c5(s1s4+c4(c1c2s3+c1c3s2))
‑
s5(c1s2s3‑
c1c2c3))
‑
c6(c4s1‑
s4(c1c2s3+c1c3s2))
[0025]o
y
＝c6(c1c4+s4(c2s1s3+c3s1s2))
‑
s6(c5(c1s4‑
c4(c2s1s3+c3s1s2))+s5(s1s2s3‑
c2c3s1))
[0026]o
z
＝c
23
c6s4‑
s6(s
23
s5‑
c
23
c4c5)
[0027]a
x
＝s6(c4s1‑
s4(c1c2s3+c1c3s2))+c6(c5(s1s4+c4(c1c2s3+c1c3s2))
‑
s5(c1s2s3‑
c1c2c3))
[0028]a
y
＝
‑
s6(c1c4+s4(c2s1s3+c3s1s2))
‑
c6(c5(c1s4‑
c4(c2s1s3+c3s1s2))+s5(s1s2s3‑
c2c3s1))
[0029]a
z
＝
‑
c6(s
23
s5‑
c
23
c4c5)
‑
c
23
s4s6[0030]P
x
＝c1(L1+L4c
23
+L3s
23
+L2s2)
[0031]P
y
＝s1(L1+L4c
23
+L3s
23
+L2s2)
[0032]P
z
＝L3c
23
‑
L4s
23
+L2c2[0033]其中,c1‑
c6,s1‑
s6依次表示机器人各关节变量θ1‑
θ6的正弦值和余弦值，c
23
，s
23
分别表示关节变量θ2和θ3之和的正弦值和余弦值；L1表示机器人关节1和关节2之间连杆在水平方向上的长度，L2表示机器人关节2和关节3之间连杆长度，L3表示机器人关节3和关节4之间连杆在垂直方向上的长度，L4表示机器人关节3和关节4之间连杆在水平方向上的长度；n
x
‑
n
z
，o
x
‑
o
z
，a
x
‑
a
z
表示组成旋转矩阵的三个单位向量，每个参数都是旋转矩阵的一部分；P
x
，P
y
，P
z
表示机器人6轴原点坐标在机器人基坐标系下的表示。
[0034]所述求解机器人的速度雅可比矩阵，包括如下步骤：
[0035]步骤一：确定机械臂体速度、机械臂的速度雅可比矩阵关系，得到方程：
[0036][0037]其中ξ为机械臂体速度，J为机械臂的速度雅可比矩阵，q为关节位置变量，为q的导数，为关节速度向量，且：
[0038][0039]其中0v
n
代表末端执行器的线速度，0ω
n
代表末端执行器的角速度，J
v
为雅可比矩阵的上半部分，定义关节速度向量与0v
n
的关系，J
ω
为雅可比矩阵的下半部分，定义关节速度向量与0ω
n
的关系
[0040]步骤二：确定机械臂末端执行器的线速度，采用微分链式法则处理，计算方程为：
[0041][0042]其中为机械臂末端执行器的线速度，q
i
代表机器人第i个关节的位置变量，代表导数，为关节速度向量
[0043]由此确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于工业机器人腕部奇异点计算的控制方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤一：定义基坐标系和机器人机械臂关节坐标系，且保证机器人关节坐标系与基坐标系方向相同，根据机器人运动参数，建立机器人运动学模型；步骤二：根据机器人机械臂运动学模型的连杆变换，求取机器人运动学正解；步骤三：求解机器人机械臂的速度雅可比矩阵，得到包括机器人关节平动速度和转动速度的速度雅可比矩阵；步骤四：对求取的速度雅可比矩阵进行解耦运算，将该矩阵按照平动速度和转动速度分为多个矩阵；步骤五：根据解耦后的速度雅可比矩阵，计算整个雅可比矩阵的行列式结果，在行列式结果为零时，则为机器人机械臂的奇异点；步骤六：在得到机器人机械臂的奇异点后，根据绕开奇异点的轨迹对机器人机械臂的控制。2.根据权利要求1所述的基于工业机器人腕部奇异点计算的控制方法，其特征在于：所述对机器人进行运动学模型的连杆变换，其变换矩阵为：所述对机器人进行运动学模型的连杆变换，其变换矩阵为：所述对机器人进行运动学模型的连杆变换，其变换矩阵为：并计算机器人运动学正解，计算公式和结果为：其中：n
x
＝
‑
s5(s1s4+c4(c1c2s3+c1c3s2))
‑
c5(c1s2s3‑
c1c2c3)n
y
＝s5(c1s4‑
c4(c2s1s3+c3s1s2))
‑
c5(s1s2s3‑
c2c3s1)n
z
＝
‑
s
23
c5‑
c
23
c4s5o
x
＝s6(c5(s1s4+c4(c1c2s3+c1c3s2))
‑
s5(c1s2s3‑
c1c2c3))
‑
c6(c4s1‑
s4(c1c2s3+c1c3s2))o
y
＝c6(c1c4+s4(c2s1s3+c3s1s2))
‑
s6(c5(c1s4‑
c4(c2s1s3+c3s1s2))+s5(s1s2s3‑
c2c3s1))o
z
＝c
23
c6s4‑
s6(s
23
s5‑
c
23
c4c5)a
x
＝s6(c4s1‑
s4(c1c2s3+c1c3s2))+c6(c5(s1s4+c4(c1c2s3+c1c3s2))
‑
s5(c1s2s3‑
c1c2c3))
a
y
＝
‑
s6(c1c4+s4(c2s1s3+c3s1s2))
‑
c6(c5(c1s4‑
c4(c2s1s3+c3s1s2))+s5(s1s2s3‑
c2c3s1))a
z
＝
‑
c6(s
23
s5‑
c
23
c4c5)
‑
c
23
s4s6P
x
＝c1(L1+L4c
23
+L3s
23
+L2s2)P
y
＝s1(L1+L4c
23
+L3s
23
+L2s2)P
z
＝L3c
23
‑
L4s
23
+L2c2其中,c1‑
c6,s1‑
s6依次表示机器人各关节变量θ1‑
θ6的正弦值和余弦值，c
23
，s
23
分别表...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲道奎，邹风山，刘世昌，宋吉来，梁亮，孙铭泽，
申请(专利权)人：山东新松工业软件研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：