一种新型机器人运动学建模方法技术

本发明专利技术公开了一种新型机器人运动学建模方法。其核心包括：只需建立机器人参考坐标系及末端工具坐标系，通过位置矢量及指向矢量表示机器人运动学模型参数；利用隐含关节坐标系推导各关节之间的变换关系；进而，通过矩阵变换关系求解给定关节位置情况下机器人末端工具坐标系相对于参考坐标系的位姿变换矩阵和雅克比矩阵。本发明专利技术解决了机器人运动学建模问题，其建模过程简单高效，只需建模参考坐标系及末端工具坐标系，同时有直观的表达形式及明确的物理意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人运动学建模方法，属于机器人建模

技术介绍
随着机器人技术的快速发展，机器人的应用领域越来越广泛。在机器人应用领域中，机器人的运动学特性是机器人操作与控制的基础，而运动学建模是机器人运动学分析的前提。另外，随着机器人应用领域的发展，机器人的操作人员呈现大众化发展，机器人本身呈现多样化，多自由度发展，因此开展高效通用易懂的运动学建模方法研究具有重要意义。因内外学者围绕机器人运动学建模已经开展了相关研究工作。传统的机器人运动学建模方法主要为选择参考坐标系及末端工具坐标系后在机器人各连杆上建立固定于连杆的坐标系，通过求解连杆坐标系、参考坐标系及末端工具坐标系之间的变换矩阵，而进求解末端工具坐标系相对于参考坐标系的位姿及机器人雅克比矩阵等信息完成机器人运动学建模。其中最为经典的建模方法为DH法，由Denavit与Hartenberg提出，该方法通过一系列规定在机器人连杆上建立连杆坐标系，采用四个变量描述机器人连杆之间的变化关系，但该方法建立连杆坐标系过程太过复杂，对多自由度机器人，这个问题更加突出。Richard M.Murray采用旋量理论完成机器人运动学建模,该方法将机器人各关节运动视为运动旋量，通过旋量运算计算机器人运动传递。旋量方法只需建立机器人参考坐标系及末端工具坐标系，但该方法中间推导过程复杂，物理意义不明确，编程实现难度较大。针对上述情况，本专利技术在结合现有机器人运动学建模技术优点的基础上，提出了一种只需明确建立机器人参考坐标系及末端工具坐标系，中间坐标系自主生成且隐含于推导计算过程的运动学建模方法。该方法建模过程简单易懂，推导简明，物理意义明确，易于编程实现，适合于实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有运动学建模方法繁琐复杂的不足，提供一种简单易懂的运动学建模方法。本专利技术所采用的技术方案是:首先根据任务需求建模机器人参考坐标系及末端工具坐标系；其次由机器人零位构型(机器人所有关节位置为O时机器人的形态)及其尺寸参数，采用位置矢量及指向矢量(这两个矢量合称机器人运动学模型参数)在参考坐标系下对机器人各关节进行描述；然后通过所得的模型参数推导隐含关节坐标系及隐含关节坐标系之间的变换关系；最终通过矩阵变换，在给定机器人关节位置情况下，求解机器人末端工具坐标系相对于参考坐标系的位姿变换矩阵及雅克比矩阵。具体建模方法如下:(I)根据任务需求建立参考坐标系及末端工具坐标系，获取机器人零位构型下末端工具坐标系相对于参考坐标系的位姿及机器人各关节在参考坐标系下的描述Mi = [PiZi], i = I…η, η为机器人关节数量。(2)结合参考坐标系和末端工具坐标系，推导机器人各关节隐含坐标系及各坐标系间的变换关系。(3)根据矩阵变换关系，求解机器人在给定关节位置情况下末端工具坐标系相对于参考坐标系的位姿变换矩阵及雅克比矩阵。本专利技术的优点本专利技术主要涉及一种机器人的运动学建模方法，其优势在于(I)只需建立机器人参考坐标系及末端工具坐标系，无需建立机器人连杆坐标系；(2)通过关节隐含坐标系，由所得的模型参数直接推导各坐标系之间在零位构型下的变换矩阵；(3)表达形式清晰简洁，具有明确的物理意义，易于编程实现。将此方法应用于8自由度模块化机器人运动学建模，相比DH建模方法，其建模过程简单易懂(见实施例1)。附图说明图1是任意自由度机器人示意图及本专利技术建模方法说明图；图2是实例机器人零位构型及建模所得结果，其中，图2-Α是实例机器人零位构型图；图2-Β是实例机器人零位简化图及坐标系选取；图2-C是实例机器人建模结果。具体实施例方式本专利技术提供了一种新型的机器人运动学建模方法，下面结合附图对本专利技术作进一步说明。机器人由多个关节和连杆组成，其结构表示以及各杆件、关节以及坐标系的符号说明如图1所示，其中Σ ^为机器人参考坐标系，Σ md为机器人末端工具坐标系，Mi为所提出建模方法第个关节的建模参数，Pi为第i个关节的位置矢量，Zi为第i个关节的指向矢量，i = I…η, η为机器人的关节数。(I)根据任务需求建立参考坐标系及末端工具坐标系。(2)确定零位构型下机器人末端工具坐标系相对于参考坐标系下的位姿及机器人模型参数。末端工具坐标系相对于参考坐标系位姿为:0PE = {x, y, ζ, α，β，y }(I)其中x,y,z为末端工具坐标系原点在参考坐标系下的xyz位置矢量，α，β，γ为末端工具坐标系相对于参考坐标系的zyx欧拉角。机器人模型参数:Mi = [Pi Zi]，i = I...η(2)η为机器人自由度数，Pp Zi分别为零位构型下，第i个关节的位置矢量和指向矢量。位置矢量表示关节轴线上任意一点的位置，指向矢量表示关节指向。指向矢量，对于转动关节而言，由关节转动的转轴在参考坐标系下的单位矢量表示，对于移动关节而言，为关节运动方向在参考坐标系下的单位矢量表示。(3)推导机器人各关节隐含坐标系及参考坐标系、各隐含坐标系与末端工具坐标系之间的变换矩阵。选择机器人第i个关节的关节位置矢量Pi为机器人第i个关节固连坐标系的原点，第i个关节的指向矢量Zi为机器人第i个关节固连坐标系的Z轴方向矢量，将其与参考坐标系的Xtl轴或Ytl轴叉乘，所得结果作为第i个关节固连坐标系的X轴Xi,再将Xi与Zi叉乘可得第i个关节固连坐标系的Y轴Yi。最终，可得零位构型下机器人各关节坐标系在参考坐系下的位姿变换矩阵匁，i = l-n:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的机器人运动学建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)建立机器人参考坐标系及末端工具坐标系，采用位置矢量及指向矢量表示建模所得的模型参数；(2)通过假定关节坐标系，结合模型参数，推导假定坐标系之间的位姿变换矩阵，进而通过矩阵变换完成机器人末端工具坐标系相对于参考坐标系的位姿变换矩阵及机器人雅克比矩阵。

【技术特征摘要】
1.种新型的机器人运动学建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤: (1)建立机器人参考坐标系及末端工具坐标系，采用位置矢量及指向矢量表示建模所得的模型参数； (2)通过假定关节坐标系，结合模型参数，推导假定坐标系之间的位姿变换矩阵，进而通过矩阵变换完成机器人末端工具坐标系相对于参考坐标系的位姿变换矩阵及机器人雅克比矩阵。2.据权利要求1所述的一种新型的机器人运动学建模方法，其特征是:所述的建模参数获取简单，物理意义明确。在参考坐标系下对机器人各关节的转动轴方向或者移动方向进行描述，可得机器人各关节的指向矢量。选择指向矢量上...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾庆轩，吴楚锋，陈钢，孙汉旭，禇明，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：