[发明专利]串联形式机器人的逆运动学通用求解方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种串联形式机器人逆运动学的通用求解方法，特别是综合了机器人关节的通用建模方法、构形平面划分、构形平面匹配的求解方法。

背景技术

机器人运动学问题是机器人运动控制的基础问题，而通用、解析形式的串联机器人逆运动学问题一直是机器人研究中的难题，也是机器人研究领域的热点问题。

在机器人运动学问题的求解上主要分为两种方向：解析方法和数值方法。D-H建模解析方法是解析方法中比较早的方法，但是由于计算量较大并较复杂，而且依赖于机器人的构形形式，故这种方法通常是针对固定的、自由度不多的机器人构形进行计算求解，不具有通用性。采用该方法求解6R形式的通用机器人运动学问题被专家称为机器人领域的“珠穆朗玛峰”。

近年来，采用旋量和指数积的方法进行机器人运动学求解成为研究领域的热点。按照旋量理论，机器人关节的建模可不依赖于机器人的构形形式，但是尽管旋量和指数积公式提供了一种与关节类型无关的、形式简洁的正运动学统一形式，并在运动学正解的基础上可以构造出逆运动学封闭形式的几何方法，但是需要将整个运动学逆解问题分解成若干个可解的子问题，求解过程比较复杂，难以实现运动学的自动求解，而且这种求解方法同样不具有通用性，仅适用于某些形式的机器人工作构形。在数值方法上较为常用的方法是采用牛顿-拉普松迭代法，根据建立的正运动模型进行迭代计算，得出机器人逆运动学结果，但是在计算时间和结果的精确性上很难同时保证。遗传算法和神经网络方法可对求解进行优化，避免局部收敛，得出逆运动学结果，但与迭代方法一样，在计算时间和计算精度上存在制约性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速且精确的串联形式机器人逆运动学通用求解方法。

本发明的目的是这样实现的：包括复杂关节分解模块A、基本关节建模模块B、机器人关节统一形式建模C、工作构形平面化处理模块D、工作构形的构形平面划分模块E、构形平面工作空间自动求解模块F、构形平面自动匹配模块G、平面构形的自动求解模块I。

求解过程如下：

首先将已知的机器人工作构形按照关节形式进行分解，对机器人关节根据运动形式分解成相应的基本关节的形式，实现复杂关节分解模块A的部分；将所有的机器人关节按照基本运动关节的形式通过统一基本关节自动建模方法建立模型，实现基本关节建模模块B和机器人关节统一形式建模C的部分；按照机器人的拓扑关系建立机器人整体运动学模型，按照构形平面理论，将工作构形分解成若干个构形平面，对可进行平面化处理的工作构形进行简化，实现工作构形的构形平面划分模块E的部分；对分解后的构形平面采用自动求解方法计算其工作空间，实现构形平面工作空间自动求解模块F的部分；依据每个构形平面的工作空间，以满足机器人末端的位姿矩阵为目标，采用空间向量投影的方法进行构形平面匹配，从而得到连接构形平面的关节模块的广义运动量，实现构形平面自动匹配模块G的部分；最后根据匹配的每个构形平面姿态和位置要求，对组成构形平面的各个关节的广义运动量进行求解，实现平面构形的自动求解模块I部分，进而得到所有的运动关节的广义运动量，从而完成机器人逆运动学的求解过程。

对于机器人关节的自动建模，本方法以机器人单自由度的基本形式关节建模技术为基础，研究复杂关节模块和多自由度模块的建模技术，通过分解、等效、分类和自动识别等方法处理实现机器人关节的通用建模方法，以此为基础建立统一的机器人关节的运动形式。通过输入关节的相应参数，可自动建立任意机器人关节组成的机器人构形运动学模型技术。

对于工作构形的平面化处理，该方法可简化机器人工作构形，针对含有偏置形式的机器人关节、关节间采用固定角度连接、多连杆相连等情况进行处理，采用虚拟平面和等效处理的方法将工作构形进行平面处理，减少整个构形平面求解复杂性。

对于构形平面划分及工作空间自动求解，该方法从单自由度基本模块的组合入手，找到组合后运动学变化规律，进而确定构形平面的划分准则，并以摇摆运动形式的关节作为构形平面划分节点进行分类。对每类的构形平面进行分析和分类，建立构形工作空间的自动求解方法。该方法为构形平面的自动匹配建立依据。

对于构形平面的匹配方法，构形平面匹配包含姿态和位置匹配，两种匹配相互制约，单独完成任何一种匹配不能够实现构形平面的完全匹配，而单独调整任何一种匹配也会影响另一种匹配的进行。通过对组成工作构形的构形平面进行分析，并以求解构形平面工作空间为依据，确定构形平面的位置和姿态量的分配，以实现整体匹配目标。