一种绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法技术

本发明专利技术公开一种绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法，从几何学的角度入手，根据机械臂末端关节运动轨迹以及当前机械臂各关节夹角，在保证关节角度不超限的前提下，以一种简单高效的方法计算出机械臂的目标位姿与各个关节夹角，接着采用齐次坐标系变换的方法计算出机械臂各孔位的绝对坐标，进而计算出机械臂驱动绳变化量，得出机械臂运动学逆解。本发明专利技术能够高效求解超冗余蛇形机械臂的运动学逆解，解决了传统计算方法计算量大、实时性差、关节角度可能超限等问题，满足超冗余蛇形机械臂的运动控制要求。运动控制要求。运动控制要求。

【技术实现步骤摘要】
一种绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法


[0001]本专利技术涉及蛇形机械臂领域，尤其涉及一种绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法。

技术介绍

[0002]绳驱超冗余蛇形机械臂是一种仿蛇形的连续性机械臂，其自由度数量远高于传统的工业机器人，机械臂由多个细长臂杆串联而成，每两个臂杆间由一个万向节连接而成，并三根驱动绳驱动，可以实现两个方向的转动，因此其可以实现在复杂狭小空间内灵巧避障作业，并且其刚性的结构允许其承载一定的负载，可以搭载相机、切割器等末端执行装置用于各种场景作业，且控制精度较高，绳驱的结构使得机械臂的驱动电机集中分布在后端，适用于各种危险场景作业。
[0003]控制机器人的位姿需要求解其运动学逆解，由于蛇形机械臂的自由度较多，直接采用传统的解析法或数值法求解其运动学逆解计算量过大，计算时间过长，难以对机械臂进行实时控制，并且由于其关节处物理结构的限制，机械臂关节处转角有限，在计算运动学逆解时需要考虑关节转角超限的问题，因此需要一种在保证关节角度不超限的同时计算量少、高效的运动学逆解方法来实现对超冗余蛇形机械臂的控制。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法，可以快速计算机械臂姿态，进而精确控制机械臂运动。
[0005]本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：
[0006]一种绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法，该方法包括如下步骤：
[0007]步骤一：根据当前机械臂关节间转角获取当前机械臂关节位置，从而得到机械臂的整体姿态；
[0008]步骤二：根据给定的末端目标位姿计算出下一时刻机械臂末端运动轨迹；
[0009]步骤三：将机械臂化简为多个串联的连杆，连杆长度为当前关节前后两个万向节间距离，从而将机械臂末端位姿求解关节位置的问题即转化为已知连杆末端坐标，求解各个关节点坐标；
[0010]步骤四：根据步骤三得到的各个关节点坐标，通过坐标系转换，得到驱动绳长变化量。
[0011]进一步地，所述步骤三具体包括如下子步骤：
[0012]S301：根据机械臂末端运动轨迹得出下一时刻机械臂末端坐标，连接下一时刻末端关节与上一时刻末端前一个关节这两点，得到一线段，并找出这条线段上与下一时刻末端关节点距离为机械臂臂长的点，这个点即为下一时刻末端前一个关节点的位置；
[0013]S302：得到前一个关节点的坐标位置后，采用相同的方式向基座方向求解剩余关节点的坐标位置，在已知三个关节点的坐标后，求解出一个关节的转角；
[0014]S303：判断该转角是否超限，如果超限，则以前两个关节点为基础，以极限角度计算出后一个关节点的位置，并在新位置的基础上继续向基座方向求解剩余坐标点的位置；如果没有超限，则关节点位置不变，继续向基座方向求解剩余关节点的位置，直到计算出最靠近基座的那个关节点，即第一个关节点的位置；
[0015]S304：在基座滑台所在直线上找出与第一个关节点距离为第一根连杆的长度的点，这个点即为基座位置；此时，得到机械臂的所有关节点位置。
[0016]进一步地，所述绳驱超冗余蛇形机械臂由多个关节串联组成，其底座安装在滑台上，每两个关节间由一个万向节连接，每个万向节有两个垂直方向的旋转自由度，并在每个万向节中设置两个角度传感器用于检测两个连接关节的相对角度；每个关节由三根夹角互为120度的钢丝绳驱动；每个关节两端均为用于穿过钢丝绳的孔盘，对于n关节蛇形机械臂，每个孔盘共有3n个盘孔，盘孔均匀分布在孔盘的圆形面上；盘孔到圆心距离为R，每两个相邻关节点间距离为L，孔盘中心到万向节中心距离为D，其中编号为j、j+n、j+2n的孔位控制第j个关节的转动，j<n。
[0017]进一步地，所述步骤四包括如下子步骤：
[0018]S401：定义基座与第一个关节连接处的万向节的中心为坐标原点O，滑台移动的方向为X轴正方向，竖直向上的方向为Y轴正方向，垂直于XOY平面指向纸面外的方向为Z轴正方向，该坐标系为基坐标系0；
[0019]坐标系0为第1个关节靠近基座的端部的坐标系，坐标系0的坐标原点为第一个万向节中心，X0轴正方向沿着基座的进给方向，Y0轴正方向竖直向上，Z0轴正方向为垂直纸面向外方向。对于第j个关节，1≤j≤n，总共有3个坐标系与其连接，分别为坐标系2j
‑
2、坐标系2j
‑
1、坐标系2j，其中坐标系2j
‑
1为第j个关节靠近基座的端部的坐标系，坐标系2j
‑
1的原点与坐标系2j
‑
2重合，坐标系2j
‑
1是坐标系2j
‑
2绕X
2j
‑2按右手法则旋转90度，然后再绕Z
2j
‑2按照右手法则旋转θ
2j
‑1得到；坐标系2j第j个关节远离基座的端部的坐标系，坐标系2j的坐标原点为第j个关节和第j+1个关节连接的万向节的中心，坐标系2j是坐标系2j
‑
1绕Z
2j
‑1轴按右手法则旋转θ
2j
，再沿着第j个关节轴线朝着远离基座方向平移相邻两个万向节之间的距离L，再绕着第j个关节轴线远离基座方向按左手法则旋转90度得到；
[0020]第j个关节靠近基座的孔盘为第2j
‑
1个孔盘，第j个关节远离基座的孔盘为第2j个孔盘；
[0021]S402：j＝1；
[0022]S403：根据θ
2j
‑1和θ
2j
计算得到坐标系2j
‑
2与坐标系2j的齐次变换矩阵
[0023][0024]S404：将第2j
‑
1个孔盘在坐标系2j中的孔位坐标左乘得到第2j
‑
1个孔盘的第i个孔位在坐标系2j
‑
2中的坐标(x
(2j
‑
1)
‑
i
，y
(2j
‑
1)
‑
i
，z
(2j
‑
1)
‑
i
)：
[0025][0026]其中，为第2j
‑
1个孔盘在坐标系2j中的孔位坐标通式；
[0027]S405：将第2j
‑
1个孔盘的孔位与第2j
‑
2个孔盘的孔位统一在坐标系2j
‑
2中，得到第一个万向节的左右两个孔盘上的第i个孔位间距离为：
[0028][0029]其中，第2j
‑
2个孔盘的第i个孔位坐标通式为：
[0030][0031]S406：根据前一时刻的L
ij
与当前时刻计算出来的L
ij
的差值，得到第j个万向节的左右两个孔盘间的驱动绳长变化量ΔL
ij
；
[0032]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：根据当前机械臂关节间转角获取当前机械臂关节位置，从而得到机械臂的整体姿态；步骤二：根据给定的末端目标位姿计算出下一时刻机械臂末端运动轨迹；步骤三：将机械臂化简为多个串联的连杆，连杆长度为当前关节前后两个万向节间距离，从而将机械臂末端位姿求解关节位置的问题即转化为已知连杆末端坐标，求解各个关节点坐标；步骤四：根据步骤三得到的各个关节点坐标，通过坐标系转换，得到驱动绳长变化量。2.根据权利要求1所述的绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法，其特征在于，所述步骤三具体包括如下子步骤：S301：根据机械臂末端运动轨迹得出下一时刻机械臂末端坐标，连接下一时刻末端关节与上一时刻末端前一个关节这两点，得到一线段，并找出这条线段上与下一时刻末端关节点距离为机械臂臂长的点，这个点即为下一时刻末端前一个关节点的位置；S302：得到前一个关节点的坐标位置后，采用相同的方式向基座方向求解剩余关节点的坐标位置，在已知三个关节点的坐标后，求解出一个关节的转角；S303：判断该转角是否超限，如果超限，则以前两个关节点为基础，以极限角度计算出后一个关节点的位置，并在新位置的基础上继续向基座方向求解剩余坐标点的位置；如果没有超限，则关节点位置不变，继续向基座方向求解剩余关节点的位置，直到计算出最靠近基座的那个关节点，即第一个关节点的位置；S304：在基座滑台所在直线上找出与第一个关节点距离为第一根连杆的长度的点，这个点即为基座位置；此时，得到机械臂的所有关节点位置。3.根据权利要求1所述的绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法，其特征在于，所述绳驱超冗余蛇形机械臂由多个关节串联组成，其底座安装在滑台上，每两个关节间由一个万向节连接，每个万向节有两个垂直方向的旋转自由度，并在每个万向节中设置两个角度传感器用于检测两个连接关节的相对角度；每个关节由三根夹角互为120度的钢丝绳驱动；每个关节两端均为用于穿过钢丝绳的孔盘，对于n关节蛇形机械臂，每个孔盘共有3n个盘孔，盘孔均匀分布在孔盘的圆形面上；盘孔到圆心距离为R，每两个相邻关节点间距离为L，孔盘中心到万向节中心距离为D，其中编号为j、j+n、j+2n的孔位控制第j个关节的转动，j<n。4.根据权利要求3所述的绳驱超冗余蛇形机械臂运动学逆解方法，其特征在于，所述步骤四包括如下子步骤：S401：定义基座与第一个关节连接处的万向节的中心为坐标原点O，滑台移动的方向为X轴正方向，竖直向上的方向为Y轴正方向，垂直于XOY平面指向纸面外的方向为Z轴正方向，该坐标系为基坐标系0；坐标系0为第1个关节靠近基座的端部的坐标系，坐标系0的坐标原点为第一个万向节中心，X0轴正方向沿着基座的进给方向，Y0轴正方向竖直向上，Z0轴正方向为垂直纸面向外方向。对于第j个关节，1≤j≤n，总共有3个坐标系与其连接，分别为坐标系2j
‑
2、坐标系2j
‑
1、坐标系2j，其中坐标系2j
‑
1为第j个关节靠近基座的端部的坐标系，坐标系2j
‑
1的原点与坐标系2j
‑
2重合，坐标系2j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢海波，高明光，王程，杨华勇，王承震，
申请(专利权)人：浙江大学高端装备研究院，
类型：发明
国别省市：