[发明专利]一种六自由度机械臂逆运动学解析求解控制方法

说明书

本发明涉及一种六自由度机械臂逆运动学解析求解控制方法。包括：步骤1：根据机械臂的构型特征参数建立运动学模型；步骤2：给定机械臂末端位姿，根据机械臂的逆运动学求解方法依次求解各关节角度，完成运动位置解算；步骤3：将各关节角度的变化指令输入给各关节驱动器，驱动控制器控制各个关节的电机转动使得各个关节角达到目标角度，实现机械臂的轨迹运动控制。本发明针对运动学逆解算法，控制机械臂各个关节运动，使机械臂末端运动符合规划控制的轨迹要求。

技术领域

本发明属于机器人运动学解算控制领域，更具体的说是一种六自由度机械臂逆运动学解析求解控制方法。

背景技术

机器人的运动学逆解，是指给定机器人末端笛卡尔空间位置与姿态，求解其关节角度。机器人的运动学逆解是其进行轨迹规划与运动控制的基础，解算方法的速度、精度直接决定了机器人运动控制性能。机器人运动学逆解主要的方法有解析法与数值法。解析法可以通过代数表达式直接计算关节角度，简便高效速度快，是大多数工业机器人运动求解控制采用的方法。数值法是通过数值迭代求解关节角度，计算过程较繁琐，速度较慢，而且通常不能得到全部解。工业机器人通常选择腕关节三个轴相交于一点或连续三个轴平行的构型，以获得解析形式的运动学逆解。

目前工业机器人领域有若干成熟的机器人构型，这些构型的机器人逆解大多都有可参考的算法，但这些构型并不一定适用于所有场合。机器人构型稍作变动，其逆解就会完全不同，因此对特殊构型的机器人，需要研究其运动学逆解的解算问题，从而控制机器人各个关节运动。我国在建的空间站科学手套箱中，布置了一套六自由度机械臂，为了实现最优的操作性能，其构型不同于现有成熟的工业机器人构型，是一种特殊构型，为了实现在轨高效、实时、高精度的运动控制效果，需要对其提出一种运动学逆解的解析求解控制方法。

发明内容

本发明通过提出一种六自由度机械臂逆运动学解析求解控制方法，给出机械臂运动学逆解的代数表达式，达到实现空间站手套箱机械臂的实时高效运动控制的目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种六自由度机械臂逆运动学解析求解控制方法，包括以下步骤：

步骤1：根据机械臂的构型特征参数建立运动学模型；

步骤2：给定机械臂末端位姿，根据机械臂的逆运动学求解方法依次求解各关节角度，完成运动位置解算；

步骤3：将各关节角度的变化指令输入给各关节驱动器，驱动控制器控制各个关节的电机转动使得各个关节角达到目标角度，实现机械臂的轨迹运动控制。

所述六自由度机械臂的构型包括6个转动关节，第1个关节为圆弧导轨形成的转动关节，后5个关节为模块化转动关节，关节变量分别为角度θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅以及θ₆；其中，第2关节的轴线与第1关节的轴线平行，第3关节的轴线与第2关节的轴线垂直，第4关节、第5关节的轴线与第3关节的轴线平行，第6关节的轴线与第5关节的轴线垂直。

所述机械臂的构型特征参数包括：第i个连杆长度a_i、连杆扭角α_i、连杆偏距d_i、关节角θ_i以及各轴坐标系与基坐标系之间的转换关系。

所述运动学模型为：

根据机械臂的末端坐标系x₆y₆z₆相对于其基坐标系x₀y₀z₀的位姿变换关系由前向运动学方程求得，建立如下方程：

其中，为机械臂末端的位姿在基坐标系中的表示；设已知为：