[发明专利]一种七自由度协作机器人构型优化综合方法

说明书

本发明涉及协作机器人领域，具体地说是一种七自由度协作机器人构型优化综合方法，包括以下步骤，步骤一：建立七自由度机器人运动学模型及运动学性能评价指标；步骤二：对七自由度机器人进行构型综合，将七自由度机器人拆分为“肩肘”和“腕”两部分，并利用步骤一中的运动学性能评价指标分别对“肩肘”部和“腕”部进行构型综合，获得最优的“肩肘”部构型和“腕”部构型，并通过构型优化综合，将最优的“肩肘”部构型和“腕”部构型分别组合，并对组合后的七自由度机器人构型进行评估，获得最优的七自由度构型；步骤三：对步骤二中获得的最优七自由度构型进行尺寸优化。本发明简化了构型综合过程，可用于指导七自由度协作机器人的设计。

技术领域

本发明涉及协作机器人领域，具体地说是一种七自由度协作机器人构型优化综合方法。

背景技术

协作机器人能够将自身的高精度、高忍耐性与人类的灵活适应能力相结合，以提高中小企业的自动化水平，并使工业机器人的应用领域扩展到3C、医疗、服务等行业。

与传统工业机器人不同，工作于非结构环境下的协作机器人需要具有较高的灵巧性和避障能力，而机器人的构型和尺度参数决定着机器人的运动性能和避障能力。因此，不同于采用非冗余自由度构型的传统工业机器人，协作机器人的构型及尺度参数发生了新的变化，新一代协作机器人大都采用了七自由度单臂或双臂构型，机器人的尺度参数与人类手相似。

相比于六自由度构型，七自由度构型的机器人灵巧性能和避障能力得到了大幅提升，机器人可以利用冗余自由度来回避奇异点和躲避障碍物，便于机器人末端位姿的调节，使得机器人在灵巧性和避障能力上有了质的飞跃，但其缺点是运动学逆解较为复杂，构型对于七自由度机器人逆解的特性影响巨大，其决定了冗余自由度机器人的逆解是否具有解析性、解耦性，能否进行工作空间分解以简化逆解的计算。

目前，冗余自由度机器人构型的研究主要侧重于消除内部奇异点或产生灵活工作空间等构型设计，以及对影响冗余自由度特性的杆参数进行优化设计等。最初，串联机器人构型综合主要凭借经验和直觉，直至拓扑图论等方法的引入才为机器人构型综合提供了数学理论基础，同时关节、连杆等组件的符号化为机器人拓扑构型的研究提供了重要依据。目前，针对六自由度机器人构型的研究较为成熟，而七自由度机器人构型综合研究较少，理论的不完善造成了七自由度机器人构型的多样化与差异化。

现有的冗余自由度构型综合方法主要包括图谱、结构拓扑以及人机工程学等方法，其中图谱和结构拓扑方法是从串联机器人的拓扑结构切入，通过分析任务目标的特点得到一系列的约束条件，列举出所有满足约束条件的可选构型，然后逐一分析可选构型的机构特性，按照一定的选型原则优选出最佳构型。而机器人要与人类肩并肩的完成协作任务，就必须按照人类的工作特点进行设计，目前协作机器人在构型和尺度设计的过程中大多采用人机工程学设计，采用拟人构型和人类手臂尺度相似的设计，即拟人机械臂，在灵活性、负载等方面与人手臂相比拟，依据人体手臂运动性能将串联七自由度机器人划分为肩部、肘部以及腕部，即拟人构型，这一理论也是目前研究冗余仿人臂自由度分布所普遍采用的理论。目前七自由度构型的获取主要是在最优六自由度构型的基础上添加一个转动关节形成,此种构型均具有和人类手臂相似的结构，能产生自运动而不改变末端位姿，从而完全消除肩部和腕部出现的奇异情况，而且也有利于避开障碍物。

冗余自由度机器人运动性能不仅受机器人构型的影响，也受尺度参数的影响，某些连杆参数之间的相对变化可能会导致机器人工作空间拓扑结构特性的改变，从而影响机器人的运动特性。串联或并联机器人的尺度优化主要是以机器人的运动性能、工作空间、刚度性能甚至是动态性能为优化目标，以机器人尺寸参数或者结构参数为设计参数或约束进行优化设计，获得合理的机器人尺度参数。