[发明专利]避免关节极限的双臂机器人协作空间求解方法

说明书

本发明公开了避免关节极限的双臂机器人协作空间求解方法，涉及机器人技术领域，能够避免双臂机器人的关节极限，提高机械臂灵活性和避障性能，保护机械臂末端执行器。本发明包括：构建模块化的机器人双臂系统；采用D‑H建模方法建立双臂系统的坐标系，得到双臂系统各模块的运动学方程，并验证双臂系统的运动学正确性；采用微分变换法计算双臂系统的Jacobian矩阵（雅克比矩阵），结合操作度与最小奇异值灵活性参数得到双臂系统的奇异点及对应的机械臂奇异位型；求解双臂系统中，机械臂末端参考点工作空间的公共部分，再除去双臂系统的奇异点，得到双臂机器人的协作空间。本发明保障机械臂能够稳定的运动，防止机械臂末端执行器因受力过度或速度突变而产生损伤。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及了避免关节极限的双臂机器人协作空间求解方法。

背景技术

机器人是最受欢迎的研究方向之一，涉及机械工程、计算方法、人工智能技术、计算机技术和其他等多学科前沿的成果。随着经济发展与科技的进步，机器人的使用范围不只是在机械加工厂。其使用范围扩展到医疗诊断、军事探测、航空航海和家庭服务等领域，机器人和人类的关系愈来愈密切。随着劳动力成本不断上升和工业自动化的快速发展，机器人产业受到了前所未有的关注，机器人产业将迎来良好的发展前景。

通过对机器人关节极限研究得到，机械臂机构在奇异位形时，操作自由度变少、运动的速度突变，机械臂位于死点，机械臂失去稳定性，不能继续期望的维持有效机械运动，使得机械手臂在某个方向上的运动受到限制。并且，机械手臂的关节极限也会直接影响末端执行器参考点的受力情况，末端执行器参考点受力过度时，极易造成末端执行器的损伤。因此，传统的机械臂在较恶劣的环境下工作或执行工况较复杂的任务时，机械手臂关节极限所造成的影响，使得机械手臂运动不稳定，且结构容易损坏。

发明内容

本发明提供了避免关节极限的双臂机器人协作空间求解方法，能够避免双臂机器人的关节极限，提高机械臂灵活性和避障性能，保护机械臂末端执行器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

避免关节极限的双臂机器人协作空间求解方法，包括：

S1、构建模块化的机器人双臂系统。机器人模块化双臂运动学计算是机械臂研究的基础。只有确定机械臂各关节与末端执行器的位姿转化关系，才能准确控制双臂机器人各关节的转动，实现对末端执行器的控制，达到期望的位姿。

S2、采用D-H(Denavit–Hartenberg)建模方法建立双臂系统的坐标系，得到双臂系统各模块的运动学方程，计算每个关节和末端执行器间的空间变换和位置转移关系，并验证双臂系统的运动学正确性。

S3、采用微分变换法计算双臂系统的Jacobian矩阵，结合操作度与最小奇异值灵活性参数得到双臂系统的奇异点及对应的机械臂奇异位型。

由于奇异性带来的关节极限是机械手臂重要的运动学特征之一，机械手臂出现奇异位型的情况下，机械臂的自由度减少，Jacobian矩阵的秩降低等，此时机械臂不能灵活运动，所以非常有必要分析机械臂的奇异位形。

S4、求解双臂系统中，机械臂末端参考点工作空间的公共部分，再除去双臂系统的奇异点，得到双臂机器人的协作空间。

机械臂的工作空间是指机械臂末端执行器在空间中运动得到的所有点的集合，集合点所构成图形的边界是机械臂的运动范围，是判断机械臂活动能力的重要指标。

进一步的，在S2中，双臂系统的运动学正确性包括正运动学和逆运动学问题。

进一步的，在S3中，机械臂奇异位型包括边界奇异位型和内部奇异位型。边界奇异位型由机械臂工作空间的边界导致，内部奇异位型是由两个及多个关节轴线重合所致。

进一步的，在S4中，机械臂末端参考点工作空间的求解方法包括图解法、解析法和数值法。