【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工机业器人分析领域及特种机器人，特别涉及机器人运动学及基于绝缘段受力最优的高空冗余八自由度机械臂实时控制及冗余八自由度高空带电环境下的机械臂逆运动学求解算法。
技术介绍
1、随着社会发展，工业生产对劳动力需求不断增长，机械臂逐渐成为改善、优化生产力结构的工具。工业机械臂是结合机械结构与电气控制的方式来模拟手臂运动轨迹的装置，要求有工作路径避障和关节突破限制的功能，通常采用冗余机械臂，保证机械臂有较高的灵活可动性。逆运动学是机器人学研究领域的重要分支，在工业机器人的设计、开发、应用中占有重要地位。逆运动学问题指的是已知机械臂末端执行器位置和姿态，求出机械臂关节角度的过程。对于正常机械臂，它只有一个解，但对于冗余机械臂，由于多余的自由度，其解有可能不唯一。由于冗余自由度机器人动力学具有高度非线性、强耦合和时变的特点，同时还受许多不确定因素的影响，因此使机器人的高性能控制成为一个非常复杂的问题，其中运动学建模及逆运动学求解又是机械臂闭环控制的难点。研究机械手的运动学问题是解决此类问题的基础，传统的机械手运动学逆解有代数法、几何法和迭代法等。代数法主要应用在结构简单的机械手分析中，当关节过多时，求解过程将显得过于复杂。几何法则对机械手结构有着很大的依赖性。迭代算法经过运算之后能够从机械手无穷多个逆解中求出一个解，缺点是不能保证该解的正确性。作为一种建立末端位姿与关节空间各变量映射关系的关键技术，逆运动学的求解是实现机器人精确控制的先决条件。机械手的运动学涉及每个关节之间位移、速度和加速度关系，并且在内部之间还有着静力学关系
2、目前6自由度的工业机器人技术的发展和运用已经十分成熟，对于六自由度及以内的串联机械臂，其逆运动学求解的研究已经相对成熟。而具有7自由度的冗余自由度机器人技术目前仍处于发展阶段。由于7自由度存在自由度冗余性，在计算逆运动学时，存在零空间，即同一末端执行器的位姿对应着无数多种构型，其灵活性相较于6自由度机械臂得到大大提高，因而可以实现躲避障碍物、避奇异性、容错性等二次目标。针对不同的二次优化目标，在求解过程中需要进行多次的坐标变换和迭代计算，存在计算量大和迭代误差的缺点，所以目前求解7自由度逆运动学的有效方法十分有限且很难做到实时控制和精确计算。因此目前常见的七自由度冗余机械臂逆运动学解法较为繁杂，且对不同构型机械臂的逆运动学解法通用性较差。机械臂运动学建模方法主要有d-h矩阵建模法、指数积法、对偶矩阵建模法、运动映射法、四元数法等，其求解方法主要有通过线性消元和结式消元结合的代数法、数值求解方法以及优化方法等。这些求解建模法求逆解使用了大量的反正切和反余切，这不仅影响计算精度也影响计算效率。同时实际机器人的臂长、零点、减速比等运动学参数有误差，关节之间存在偏移，也影响机器人的绝对定位精度。
3、目前，国内学者对于冗余机械臂进行了很多研究。李宪华、袁媛等利用机械臂的连杆速度或末端点位姿误差的敏感方向建立雅可比矩阵，并通过雅可比矩阵求解得到机械臂在奇异状态下的奇异点；王安琪等利用空间几何的方法对冗余机械臂进行了空间轨迹规划；赵华东等提出了一种基于改进蚁群算法的机械臂路径规划方法。但上述方法在冗余机械臂工作空间的求逆解中，对于无穷多重解、解存在性的问题，其处理步骤较为繁琐。现有技术的缺点在于：现有冗余机械臂逆运动学解析法技术往往没有考虑到机械臂中某些关节结构和材料的特殊性，在逆运动学求解过程中没有针对性的加入一些限制条件，影响机械臂运动时稳定性和末端轨迹跟踪性能，降低了其使用寿命。
技术实现思路
1、为了找到一种适用于八自由度机械臂逆运动学求解方法，本专利技术的目的是针对冗余自由度机械臂逆运动学求解的难题及现有技术存在的不足之处，为八自由度高空特种机器臂提供一种解算速度快、效率高、误差小，收敛速度快、非线性处理能力强，高效、快速的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法。以解决现有逆运动学针对此类特殊构型求解过程困难和求解结果不满足特种机械臂的实际工作需求的问题。
2、本专利技术的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于包括如下步骤：
3、s1：基于冗余自由度机器人自运动流形，采用逆运动学解析算法，将逆解过程分为运动学建模模块、冗余分解模块、确定待定参数模块、逆运动学解析模块，运动学建模模块根据机器臂构型和连杆特点添置虚拟旋转关节，将移动关节坐标系与旋转坐标系原点重合，建立简洁直观的d-h坐标系关系；
4、s2、运动学建模模块根据机器人工作设定关节极限及绝缘臂俯仰角，确定关联自由度间的数值关系，将笛卡尔空间轨迹直接通过雅克比矩阵转化为关节空间轨迹的逆运动模块，根据机器人机械臂构型与d-h矩阵法建立机器人机械臂连杆坐标关系，并由机械臂构型建立各关节坐标系关系和连杆坐标系间的齐次变换方程及八自由度高空特种机械臂的d-h表，
5、s3、冗余分解模块基于机械臂的高空工作和在电力线路中作业的环境，对机械臂绝缘杆段工作工况进行力学分析，建立本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：运动学建模模块根据机械臂构型建立各关节坐标系关系，将第1关节坐标系沿着基坐标系z0轴移动d1距离，第2关节坐标系按第1关节坐标系绕z1轴旋转-90°，再绕y1轴旋转90°，第3关节坐标系按第2关节沿x2轴平移a2距离，再沿y2轴平移d3距离，绕y2轴旋转-90°，再绕x2轴旋转90°；第31关节坐标为固定关节角添加的虚拟坐标，与第三关节坐标系原点重合，再由第3坐标系绕z3轴旋转90°，并绕x3轴旋转-90°，第四关节坐标系按第3关节坐标系沿y3轴的反方向移动d4距离，绕y3轴旋转-90°，再绕x3轴旋转-90°；第5关节坐标系按第4关节坐标系沿x4轴移动a4距离，绕z4轴旋转-180°，再绕x4轴旋转-90°；第6关节坐标系按第5关节坐标系沿x5轴平移a5距离，再沿y5轴移动平移d6距离，绕z5轴旋转-90°，最后绕y5轴旋转-90°；第7关节坐标系由第6关节坐标系沿y6轴反方向移动d7距离，绕x6轴旋转-90°。>
3.根据权利要求2所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：逆运动学解析算法基于D-H参数表建立连杆坐标系间的齐次变换方程，并根据变换方程计算出末端执行器的工具坐标系相对于基坐标系的齐次坐标变换矩阵满足公式(1)：
4.根据权利要求1所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：基于步骤S2，机械臂工作设定通过阻尼最小平方法中参数的选择完成冗余机械臂的关节限位，寻找最优解的任务，确定关联自由度间的数值关系；将八自由度的高空特种机械臂逆运动学求解简化成七个未知变量的求解，根据机械臂绝缘段结构和材料的特殊性进一步简化成6个未知变量的矩阵方程求解。
5.根据权利要求1所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：基于步骤S3、冗余分解模块根据绝缘臂受力最优的高空特种机械臂的绝缘杆主要受到末端抓具的重力Fg和液压缸活塞杆的支撑力Fp，将Fg和Fp沿着绝缘杆的方向进行力的分解，得到平行于绝缘杆方向的分力Fgx、Fpx和垂直与绝缘杆方向的分力Fgy、Fpy，
6.根据权利要求1所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：基于步骤S4、确定待定参数模块，齐次关系矩阵等式与给定绝缘臂臂俯仰角theta5求解相关关节角的函数解；齐次关系矩阵与给定角θ5求解绝缘臂摆动关节角θ6和抓手旋转关节角θ7的函数解
7.根据权利要求6所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：确定待定参数模块求解抓手旋转关节角θ7的解析式，选取机械臂连杆的齐次关系矩阵等式(7)两端元素的(3，1)和(3，2)，建立等式方程：
8.根据权利要求7所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：基于步骤S5、逆运动学解析算法根据齐次关系矩阵等式与已知关节角求解其他关节角的函数解；将齐次关系矩阵(7)两端同时乘得出新矩阵等式(17)：
9.根据权利要求8所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：逆运动学解析算法求解绝缘臂底座回转角θ4的解析式，选取矩形等式(7)两端元素的(2，3)和(2，4)，建立等式方程：
10.根据权利要求9所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：逆运动学解析算法求解伸缩臂俯仰关节角θ2的解析式，选取矩形等式(7)两端元素的(3，4)和(1，4)，建立等式方程：
...【技术特征摘要】
1.一种高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：运动学建模模块根据机械臂构型建立各关节坐标系关系，将第1关节坐标系沿着基坐标系z0轴移动d1距离，第2关节坐标系按第1关节坐标系绕z1轴旋转-90°，再绕y1轴旋转90°，第3关节坐标系按第2关节沿x2轴平移a2距离，再沿y2轴平移d3距离，绕y2轴旋转-90°，再绕x2轴旋转90°；第31关节坐标为固定关节角添加的虚拟坐标，与第三关节坐标系原点重合，再由第3坐标系绕z3轴旋转90°，并绕x3轴旋转-90°，第四关节坐标系按第3关节坐标系沿y3轴的反方向移动d4距离，绕y3轴旋转-90°，再绕x3轴旋转-90°；第5关节坐标系按第4关节坐标系沿x4轴移动a4距离，绕z4轴旋转-180°，再绕x4轴旋转-90°；第6关节坐标系按第5关节坐标系沿x5轴平移a5距离，再沿y5轴移动平移d6距离，绕z5轴旋转-90°，最后绕y5轴旋转-90°；第7关节坐标系由第6关节坐标系沿y6轴反方向移动d7距离，绕x6轴旋转-90°。
3.根据权利要求2所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：逆运动学解析算法基于d-h参数表建立连杆坐标系间的齐次变换方程，并根据变换方程计算出末端执行器的工具坐标系相对于基坐标系的齐次坐标变换矩阵满足公式(1)：
4.根据权利要求1所述的高空冗余多自由度机械臂逆运动学求解方法，其特征在于：基于步骤s2，机械臂工作设定通过阻尼最小平方法中参数的选择完成冗余机械臂的关节限位，寻找最优解的任务，确定关联自由度间的数值关系；将八自由度的高空特种机械臂逆运动学求解简化成七个未知变量的求解，根据机械臂绝缘段...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈钦柱，陈川刚，黎康，
申请(专利权)人：海南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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