一種協作機器人的逆運動學求解方法技術

本發明專利技術公開了一種協作機器人的逆運動學求解方法，包括以下步驟：建立連桿坐標系，并設定各關節軸的轉動角度為關節變量；通過運動學建模分析得到正運動學方程；分析和求解逆運動學，先進行多個變量的引入，當下一個相關關節變量的求解時，在計算過程中予以保留；按照所求得的各個關節變量之間的數學關聯和依賴關系，實現在不需要其他輔助的篩選匹配算法，即可得到所期望的逆運動學求解結果。協作機器人的機械結構與一般工業機器人的結構不同，其一般性求解將更加困難。本發明專利技術實現了當前協作機器人逆運動學多解的唯一性確認，可以保障機器人逆運動學不存在潛在的跳變等系統風險。人逆運動學不存在潛在的跳變等系統風險。人逆運動學不存在潛在的跳變等系統風險。

【技術實現步驟摘要】
一種協作機器人的逆運動學求解方法


[0001]本專利技術涉及協作機器人和逆運動學
，具體涉及一種協作機器人的逆運動學求解方法。

技術介紹

[0002]自2008年世界上首臺協作機器人UR5問世以來，協作機器人發展迅速。全球機器人四大機家族也紛紛推出各自的協作機械臂，國內機器人廠商傲博等也推出相關的協作機器人。同時，各個廠家推出的協作機器人的結構布局與UR5相仿。
[0003]與常見的工業機器人不同，協作機器人的機械結構存在較大不同。逆運動學是其他機器人技術分析的基礎。然而由于機器人是一個復雜的多變量、強耦合、高度非線性系統，逆運動學的求解涉及非線性的高維方程組，超越方程的求解極其復雜。加上協作機器人的結構與一般工業機器人結構不同，求解難度和方式與常規工業機器人不同，其一般性求解和多解性處理更加困難。
[0004]當前雖然存在對傳統工業機械臂的逆解唯一性的算法，但由于協作機械臂在第一個關節即存在連桿偏距，造成當前公開算法難以完成對協作機械臂的便利求解和多解唯一性確認。因此，對于協作機器人逆運動學的高精度求解問題，亟需解決協作機器人逆運動學多解的唯一性問題，其對于協作機器人的發展和應用具有舉足輕重的意義。

技術實現思路

[0005]本專利技術的目的是針對現有技術中協作機器人引起結構與普通機器人不同，如何解決逆運動學的求解和多解的唯一性問題，提供一種協作機器人的逆運動學求解方法。
[0006]本專利技術的目的可以通過采取如下技術方案達到：
[0007]一種協作機器人的逆運動學求解方法，其特征在于，所述逆運動學求解方法包括以下步驟：
[0008]S1、建立連桿坐標系，并設定協作機器人的各關節軸的轉動角度為關節變量θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，其中關節數目為自協作機器人安裝底座由下而上依次的各個驅動電機；
[0009]S2、通過運動學建模分析得到正運動學方程；
[0010]S3、求解關節1的角度，通過數學分析變換，采取修正數學函數Atan2，求解關節1的角度值；通過逆運動學方程的數學關系，求解關節5的角度值，然后求解關節6的角度值；
[0011]S4、求解其他逆運動學的關節角度過程中通過計算分析引入多個變量，并在計算過程中依據數學留元關系，將引入的變量進行保留并代入相關的下一個關節變量的求解過程；
[0012]S5、逆運動學求解過程中存在的多解，通過求解過程中的數學關聯和依賴關系，得到期望的逆運動學求解結果的唯一性。
[0013]進一步地，所述步驟S2在求解關節1的角度的過程中，通過數學分析變換，采取修正數學函數Atan2，結合投影矢量關系求解關節1的角度值。
[0014]進一步地，所述步驟S2中，通過方程中數學關系，求解關節5的角度值，然后求解關節6的角度值，然后再依次求解關節3、關節2和關節4的角度值。
[0015]進一步地，所述逆運動學求解方法包括以下步驟：當關節5的角度值為0時，在運動過程中設關節6的角度為0，然后依次解算其他關節的角度值；在機器人運動控制過程中規劃關節5運動，使其偏離零度值。
[0016]進一步地，所述步驟S4在求解關節3的角度的過程中，通過步驟S2獲得關節角度1的值，求得關節2的當前位置，并依據關節5和關節6的值求得關節4的當前位置，結合關節2和關節4的位置信息，通過三角形的余弦定理，求得關節3的角度值；
[0017]進一步地，所述步驟S4在求解關節2的角度的過程中，通過引入關節1和關節3的關節變量，通過留元的方式求解數學方程組求解出關節2的角度值。
[0018]進一步地，所述步驟S4在求解關節4的角度的過程中，通過引入的各關節變量和逆運動學方程的數學關系求解關節4的角度值。
[0019]本專利技術相對于現有技術具有如下的優點及效果：
[0020](1)本專利技術提出了一種對數學函數atan2的修正函數方法，并應用到處理協作機器人關節1的求解問題，相對于直接應用末端位置信息求解更加準確，且更為簡單直觀的處理關節1的求解。
[0021](2)由于協作機器人機械結構與普通工業機器人不同，其逆運動學的求解和多解的唯一性問題，當前未有公開的技術進行充分解決。相對于當前其他技術方案，本專利技術實現了協作機器人特殊構型下的逆運動學，無需任何額外的篩選匹配算法，即可直接確認逆運動學多解的唯一性問題。通過實施例求解結果所獲得的關節角度值無序其他篩選匹配算法即可發送至機器人運動控制系統，驅動機器人完成相應的工作任務。本專利技術的技術方案極大地提高了算法的解算效率和控制系統的穩定性，使得機器人控制系統不會出現逆解“跳變”等風險。
附圖說明
[0022]此處所說明的附圖用來提供對本專利技術的進一步理解，構成本申請的一部分，本專利技術的示意性實施例及其說明用于解釋本專利技術，并不構成對本專利技術的不當限定。在附圖中：
[0023]圖1是本專利技術中協作機器人逆運動學求解方法的流程圖；
[0024]圖2是本專利技術中協作機器人的簡化連桿坐標系示意圖；
[0025]圖3是本專利技術中UR5臂形示意圖；
[0026]圖4是本專利技術中UR5機器人末端執行的復雜圖案軌跡示意圖；
[0027]圖5是本專利技術中UR5關節1電機轉動的運動軌跡情況圖；
[0028]圖6是本專利技術中UR5關節2電機轉動的運動軌跡情況圖；
[0029]圖7是本專利技術中UR5關節3電機轉動的運動軌跡情況圖；
[0030]圖8是本專利技術中UR5關節4電機轉動的運動軌跡情況圖；
[0031]圖9是本專利技術中UR5關節5電機轉動的運動軌跡情況圖；
[0032]圖10是本專利技術中UR5關節6電機轉動的運動軌跡情況圖；
[0033]圖11是本專利技術中關節變量1的XOY面的投影之一示意圖；
[0034]圖12是本專利技術中關節變量1的XOY面的投影之二示意圖。
具體實施方式
[0035]為使本專利技術實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦＠夹g中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。
[0036]實施例1
[0037]本實施例公開了一種協作機器人的逆運動學求解方法，所述逆運動學求解方法包括以下步驟：
[0038]T1、建立連桿坐標系，并設定各關節軸的轉動角度為關節變量θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，其中關節數目為自協作機器人安裝底座由下而上依次的各個驅動電機；
[0039]T2、通過運動學建模分析得到正運動學方程；
[0040]T3、求解逆運動學過程中通過分析引入多個變量，并在計算過程中進行保留，代入相關的下一個關節變量的求解過程；
[0041]T4、求解關節1的角度，通過數學分析變換，采取修正數學函數Atan2，求解關節1的角度值本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種協作機器人的逆運動學求解方法，其特征在于，所述逆運動學求解方法包括以下步驟：S1、建立連桿坐標系，并設定協作機器人的各關節軸的轉動角度為關節變量θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，其中關節數目為自協作機器人安裝底座由下而上依次的各個驅動電機；S2、通過運動學建模分析得到正運動學方程；S3、求解關節1的角度，通過數學分析變換，采取修正數學函數Atan2，求解關節1的角度值；通過逆運動學方程的數學關系，求解關節5的角度值，然后求解關節6的角度值；S4、求解其他逆運動學的關節角度過程中通過計算分析引入多個變量，并在計算過程中依據數學留元關系，將引入的變量進行保留并代入相關的下一個關節變量的求解過程；S5、逆運動學求解過程中存在的多解，通過求解過程中的數學關聯和依賴關系，得到期望的逆運動學求解結果的唯一性。2.根據權利要求1所述的一種協作機器人的逆運動學求解方法，其特征在于，所述步驟S2在求解關節1的角度的過程中，通過數學分析變換，采取修正數學函數Atan2，結合投影矢量關系求解關節1的角度值。3.根據權利要求1所述的一種協作機器人的逆運動學求解方法，其特征在于，所述步驟S2中，通過方程中數...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張耀倫，張煜，呂建浩，張盼盼，張秀芬，張增倫，
申請(專利權)人：張耀倫，
類型：發明
國別省市：