5關(guān)節(jié)機器人末端工具位姿控制方法
【專利摘要】5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)機器人末端工具位置和姿態(tài)控制方法，將5R機器人看做是6R（6旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）機器人的特例，對于任意給定的末端執(zhí)行器姿態(tài)和工作點位置，在工作點位置不變的前提下，借助本發(fā)明中的方法，找到某個相應(yīng)的新的末端工具姿態(tài)，使這一6R機器人能滿足某個腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度始終為0，即相當于使6R機器人退化為5R機器人。以這一新的末端工具姿態(tài)和原工作點位置不變?yōu)闂l件，借助6R機器人成熟的逆運動學計算方法，計算出各關(guān)節(jié)角度所需要的值，并將這些值用于5R機器人各關(guān)節(jié)的控制。這樣得到的5R機器人末端工具位置和姿態(tài)，避免了在任意給定機器人末端工具姿態(tài)和其工作點位置的情況下，5R機器人往往不存在逆運動學解而無法控制的缺點。
【專利說明】 5關(guān)節(jié)機器人末端工具位姿控制方法
(-)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是5R (5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))機器人末端工具在直角坐標工作空間中的位姿控制方法，適用于快速、精確地實現(xiàn)5R機器人的軌跡規(guī)劃及控制。
(二)【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)應(yīng)用中，5R (5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，而且具有5個獨立自由度，因此能滿足很多場合的應(yīng)用，如焊接、噴涂、下料等。與5R機器人相比，6R(6旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))機器人因為具有六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，因而在其直角工作空間內(nèi)能使其末端工具達到任意的六自由度方位，為其直角工作空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃帶來了很大方便。根據(jù)已有的研究成果，只要6R機器人能滿足Piper準則，即有三個相鄰的關(guān)節(jié)其軸線相交于一點，包括三個相鄰關(guān)節(jié)的軸線平行(相當于在無窮遠處相交于一點)，對任意給定的末端工具的位置和姿態(tài)都有對應(yīng)的逆運動學解。相比之下，5R機器人由于少一個自由度而不能使其末端工具達到其直角坐標工作空間內(nèi)的任意方位，給其直角坐標空間內(nèi)的逆運動學計算和軌跡規(guī)劃帶來了困難。曾經(jīng)有國內(nèi)外學者用螺旋理論推導(dǎo)了 5R機器人逆運動學解析解的框架，也有針對早期的5自由度M0T0MAN機器人給出了用幾何方法推導(dǎo)了其逆運動學解的思路，也有的用代數(shù)方法對5R機器人逆運動學解析解進行了研究。以上這些方法都從理論上推導(dǎo)了求解一般5R機器人逆解的存在，但并沒有進一步給出能用于其軌跡規(guī)劃的更詳細、實用的求解方法。5R機器人逆運動學計算的難點在于，由于5R機器人末端工具不能實現(xiàn)任意姿態(tài)和位置，當任意給定5R機器人末端工具目標工作點位置和目標姿態(tài)時，5R機器人的逆運動學往往無解。這就嚴重限制了 5R機器人在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，尤其是在其直角坐標工作空間的軌跡規(guī)劃中。由于6R機器人不存在這樣的問題，因此目前國內(nèi)外成熟的軌跡規(guī)劃方法都是針對6R機器人的，所規(guī)劃出的軌跡往往都是以離散的位置和姿態(tài)的形式出現(xiàn)，這些位置和姿態(tài)在直角坐標空間中具有一般性和任意性，因此軌跡上很多中間點的位置和姿態(tài)對于只有5個自由度的5R機器人來講難以達到。
[0003]要解決這一問題，5R機器人的逆運動學計算及軌跡規(guī)劃都應(yīng)在其可達的直角坐標空間內(nèi)進行，使其末端工具的位置和姿態(tài)都能由5R機器人實現(xiàn)?？紤]到5R機器人末端工具在笛卡爾空間內(nèi)的可達位姿空間是6R機器人可達位姿空間的一個子集，因此可以將5R機器人末端工具位姿看做是6R機器人位姿的特例，只要找到將6R機器人位姿映射到5R機器人位姿的方法即可。因此5R機器人的逆運動學問題可以描述為:在其工作的直角坐標空間中任意給定末端工具的工作點位置和工作姿態(tài)，找到一種控制方法，在保證末端工具工作點位置不變的前提下，將這一給定的工作姿態(tài)映射為5R機器人能達到的工作姿態(tài)，根據(jù)這一能達到的姿態(tài)和給定的工作點位置再進一步求出5R機器人各關(guān)節(jié)角的值。
[0004]如果能找到這種5R機器人的控制方法，就能充分利用6R機器人成熟的軌跡規(guī)劃方法，將6R機器人軌跡規(guī)劃中得到的具有任意性的末端工具位置和姿態(tài)快速準確地轉(zhuǎn)變?yōu)?R機器人能實現(xiàn)的軌跡。由于5R機器人比6R機器人少一個關(guān)節(jié)，成本可以大幅度下降，同時又能完成絕大多數(shù)6R機器人能完成的功能，因此這種末端工具的姿態(tài)控制方法具(三）
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服在任意給定末端工具目標姿態(tài)和目標工作點位置的情況下5R機器人卻往往不存在逆運動學解或不能實現(xiàn)這一目標位置和姿態(tài)的缺點，本發(fā)明提供了這樣的關(guān)節(jié)角控制方法，能將任意給定的機器人末端工具姿態(tài)映射為5R機器人能達到的姿態(tài)，同時保證末端工具工作點位置不變。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007]5R (5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）機器人末端工具位置和姿態(tài)控制方法，針對的是圖I所示的5R 機器人。這種形式的機器人可以看做是圖2所示的6關(guān)節(jié)機器人的特例。在圖2中，將機器人關(guān)節(jié)4固定則構(gòu)成了圖I的構(gòu)形。在這種控制方法中，由圖I所示5R機器人轉(zhuǎn)換來的 6R機器人（圖2所示)被處理成具有表1所示的D-H參數(shù)，本控制方法即是以這種6自由度機器人為基礎(chǔ)加以實現(xiàn)。
[0008]表1 :6關(guān)節(jié)機器人的D-H參數(shù)表
【權(quán)利要求】
1.5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人末端工具位姿控制方法，其特征在于：將圖I所示的5旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人看做是圖2所示的并且具有表1所示D-H參數(shù)的6旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人中令關(guān)節(jié)6角度0 6 固定為0的特例，在其直角坐標工作空間內(nèi)任意給定末端工具工作點位置（px、py> pz)和姿態(tài)角（a、0、Y )，這種5R機器人的各關(guān)節(jié)角度的控制值計算過程如下：表1 :6關(guān)節(jié)機器人的D-H參數(shù)表
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：在其直角坐標工作空間內(nèi)任意給定機器人末端工具工作點位置（px、py、Pz)和姿態(tài)角（a、P、Y)，將圖I所示5R機器人結(jié)構(gòu)變換為圖2所示6R機器人的特例，然后用式（4)計算姿態(tài)角Y '。
3.如權(quán)利要求1所述的方 法，其特征在于：針對圖I所示的結(jié)構(gòu)，利用式（4)重新計算的姿態(tài)角Y'，以及給出的a、e、Px、Py、Pz，按照式（5)重新構(gòu)造T'。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：根據(jù)重新構(gòu)造的T'按照式（7)求解05、 06，與式（2)中求出的0” 02、e3—起組成對應(yīng)著圖I所示5R機器人關(guān)節(jié)I~關(guān)節(jié)5的角度控制值06，其中將關(guān)節(jié)I角度控制為Q1，將關(guān)節(jié)2角度控制為02， 將關(guān)節(jié)3角度控制為03，將關(guān)節(jié)4角度控制為05，將關(guān)節(jié)5角度控制為06。
【文檔編號】G05B13/04GK103529856SQ201310378654
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】高峰 申請人:浙江工業(yè)大學