基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法技术

本发明专利技术涉及基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法，通过分析正逆运动学问题，基于运动学推得的结论，采用五次多项式进行轨迹规划，并使用多轴时间同步算法来使机械臂各轴电机运行时间一致

【技术实现步骤摘要】
基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法


[0001]本专利技术属于机器人
，尤其是基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法
。

技术介绍

[0002]传统建筑行业对于劳动力人口十分依赖，然而随着劳动人口老龄化趋势加快，建筑行业用工成本增高，而且建筑施工中有很多高安全风险工作，将高风险或重复简单工作交给建筑机器人完成，一方面可以有效减少安全事故发生，另一方面还可解决用工成本飙升与劳动人口短缺等问题
。
[0003]机械臂是建筑机器人对目标执行操作的核心部件，也是自动化施工的关键装备
。
建筑机器人的机械臂主要有搬运
、
喷涂
、
检测等任务
。
然而目前机械臂在进行搬运任务时依赖人工操作，难以进行复杂的运动规划；进行喷涂作业时末端精度
、
稳定性不高；在检测作业时操作不灵活，一些复杂构件不能全面检测
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法，首先通过分析正逆运动学问题，基于运动学推得的结论，采用五次多项式进行轨迹规划，并使用多轴时间同步算法来使机械臂各轴电机运行时间一致
。
最后采用手眼标定算法对机械臂进行末端与相机位置标定，获得目标位置在机械臂基坐标系下的位姿，并驱动机器人末端执行器达到目标位置
。
本专利技术能够对建筑机械臂进行复杂的运动学规划，提高建筑机械臂灵活度与末端作业精度
。
[0005]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006]基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法，包括以下步骤：
[0007]步骤
1、
获取建筑机械臂的传动结构参数，根据传统
D
‑
H
法则，构建四自由度建筑机械臂运动学模型；
[0008]步骤
2、
根据步骤1构建的四自由度建筑机械臂运动学模型，计算建筑机械臂基坐标系到工具坐标系之间的变换公式；
[0009]步骤
3、
根据步骤2中的变换公式，计算建筑机械臂末端执行器端点坐标和基坐标系到工具坐标系的旋转矩阵；
[0010]步骤
4、
根据步骤
S3
的结果对建筑机械臂进行逆向运动学求解，得到关节1的旋转角度，关节2的旋转角度，关节3的旋转角度，关节4的旋转角度；
[0011]步骤
5、
根据步骤
S4
的结果采用五次多项式算法规划建筑机械臂的轨迹；
[0012]步骤
6、
经过五次多项式规划轨迹后，使用
LFPB
算法优化单个电机路线改变的地方存在位置连续但不平滑以及速度存在跳变的问题；
[0013]步骤
7、
根据步骤6的优化结果，采用
LFPB
多轴时间同步算法优化建筑机械臂不同
电机的时间同步问题；
[0014]步骤
8、
在步骤7的优化基础上采用手眼标定算法获取目标位置在机械臂坐标下的位姿，使建筑机械臂末端执行器达到目标位置
。
[0015]而且，所述步骤1中获取的建筑机械臂的传动结构参数包括：基坐标系与关节1之间的连杆
Link0，长度为
d1；关节1和关节2之间的连杆
Link1，长度为
a1；关节2和关节3之间的连杆定义为
Link2，长度为
a2；关节3和关节4之间的连杆定义为
Link3，长度为
a3；关节4和关节5之间的连杆定义为
Link4，长度为
a4；其中，四自由度建筑机械臂运动学模型为建筑机械臂的四自由度建筑机械臂坐标系
。
[0016]而且，所述步骤2中变换公式为：
[0017]，
[0018]，
[0019]其中，为机械臂从
i
关节坐标系到
i+1
关节坐标系之间的空间变换公式，为基坐标系到工具坐标系的旋转矩阵；表示机械臂关节6的末端执行器端点坐标
。
[0020]而且，所述步骤3中建筑机械臂末端执行器端点坐标为：
[0021]，
[0022]其中，为建筑机械臂末端执行器端点的
x
轴坐标，建筑机械臂末端执行器端点的
y
轴坐标，为建筑机械臂末端执行器端点的
z
轴坐标；基坐标系到工具坐标系的旋转矩阵为：
[0023]，
[0024]其中，，，，，为变量，是各个旋转关节的角度
。
[0025]而且，所述步骤4的具体实现方法为：对于关节1的旋转角度，若0x6与0y6都为零，采用前一次的数值进行计算，若0x6与0y6都不为零，则关节1的旋转角度的计算方法为：
[0026]，
[0027]计算建筑机械臂末端工具坐标系在关节1坐标系下的位姿：
[0028]，
[0029]，
[0030]关节3的旋转角度的计算方法为：
[0031]，
[0032]，
[0033]定义变量
b1、b2、K1和
K2，其中，，，，；
[0034]关节2的旋转角度的计算方法为：
[0035]，
[0036]若，则关节4的旋转角度的计算方法为：
[0037]。
[0038]而且，所述步骤5的具体实现方法为：
[0039]，
[0040]其中，表示系数，
t
表示时间
。
[0041]而且，所述步骤6的具体实现方法为：若为轨迹上的位置，为在位置处的全局时刻；为轨迹中位置与位置之间的时间间隔，抛物线过渡段的函数定义为：
[0042]，
[0043]其中，上标
i
代表在点附近的抛物线函数，函数名
b
是
blend
的缩写，表示抛物线混合函数的周期为，上标
b
代表
blend
，是多项式系数
。
[0044]而且，所述步骤7的具体实现方法为：每个轴在两点之间的时间间隔为：
[0045]，
[0046]其中
N
为途径点个数，包含起始点与终止点；将带入
LFPB
优化算法，从而每个轴都可得到一个过渡段的时间列表：
[0047]，
[0048]其中
j
表示
j
轴；起始与终止部分抛物线过渡段的过渡周期一致，则取各轴的最大值可得：
[0049]，
[0050]，
[0051]其中，
M
表示机械臂的电机个数
。
[0052]而且，所述步骤8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤
1、
获取建筑机械臂的传动结构参数，根据传统
D
‑
H
法则，构建四自由度建筑机械臂运动学模型；步骤
2、
根据步骤1构建的四自由度建筑机械臂运动学模型，计算建筑机械臂基坐标系到工具坐标系之间的变换公式；步骤
3、
根据步骤2中的变换公式，计算建筑机械臂末端执行器端点坐标和基坐标系到工具坐标系的旋转矩阵；步骤
4、
根据步骤
S3
的结果对建筑机械臂进行逆向运动学求解，得到关节1的旋转角度，关节2的旋转角度，关节3的旋转角度，关节4的旋转角度；步骤
5、
根据步骤
S4
的结果采用五次多项式算法规划建筑机械臂的轨迹；步骤
6、
经过五次多项式规划轨迹后，使用
LFPB
算法优化单个电机路线改变的地方存在位置连续但不平滑以及速度存在跳变的问题；步骤
7、
根据步骤6的优化结果，采用
LFPB
多轴时间同步算法优化建筑机械臂不同电机的时间同步问题；步骤
8、
在步骤7的优化基础上采用手眼标定算法获取目标位置在机械臂坐标下的位姿，使建筑机械臂末端执行器达到目标位置
。2.
根据权利要求1所述的基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法，其特征在于：所述步骤1中获取的建筑机械臂的传动结构参数包括：基坐标系与关节1之间的连杆
Link0，长度为
d1；关节1和关节2之间的连杆
Link1，长度为
a1；关节2和关节3之间的连杆定义为
Link2，长度为
a2；关节3和关节4之间的连杆定义为
Link3，长度为
a3；关节4和关节5之间的连杆定义为
Link4，长度为
a4；其中，四自由度建筑机械臂运动学模型为建筑机械臂的四自由度建筑机械臂坐标系
。3.
根据权利要求1所述的基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法，其特征在于：所述步骤2中变换公式为：，，其中，为机械臂从
i
关节坐标系到
i+1
关节坐标系之间的空间变换公式，为基坐标系到工具坐标系的旋转矩阵；表示机械臂关节6的末端执行器端点坐标
。4.
根据权利要求1所述的基于视觉驱动的四自由度建筑机械臂运动学优化方法，其特征在于：所述步骤3中建筑机械臂末端执行器端点坐标为：，
其中，为建筑机械臂末端执行器端点的
x
轴坐标，建筑机械臂末端执行器端点的
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱劲松，高经纬，高嫦娥，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：