基于位姿分離法的模塊化機械臂逆運動學(xué)分析

雷靜桃,戴文杰

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海 200072)

基于位姿分離法的模塊化機械臂逆運動學(xué)分析

雷靜桃,戴文杰

(上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,上海 200072)

分析了7自由度冗余機械臂的運動學(xué)正逆解,采用Denavit-Hartenberg(D-H)坐標法進行正運動學(xué)建模,獲得機械臂末端相對于基座的空間位姿;采用位姿分離法進行逆運動學(xué)建模.求位置逆解時,由約束條件分別獲得前4個關(guān)節(jié)角位移解析解;求姿態(tài)逆解時,采用歐拉角表示機械臂末端相對于基座的姿態(tài),減少了計算量.以SCHUNK模塊化7自由度機械臂為例,進行了運動學(xué)正逆解分析,并基于虛擬樣機進行了仿真驗證.

7自由度;冗余機械臂;逆運動學(xué);位姿分離法

7自由度機械臂屬于冗余自由度機械臂[1].在機械臂末端(以下簡稱末端)位姿確定的情況下,非冗余機械臂的關(guān)節(jié)變量和末端位姿是一一對應(yīng)的.而冗余機械臂和非冗余機械臂最大的區(qū)別就在于自運動特性[2].同樣在末端位姿確定的情況下,冗余自由度機械臂有多組關(guān)節(jié)角與之相對應(yīng),這就可以避開某些受限的關(guān)節(jié)角.7自由度機械臂因其具有避障、避奇異點、靈活性好等優(yōu)點[3],因此得到廣泛應(yīng)用.7自由度機械臂末端位姿對應(yīng)多組逆解,求解7自由度機械臂逆解有一定難度,主要分析方法有梯度投影法[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[5]、遺傳算法[6]等.文獻[7]提出了第4個關(guān)節(jié)角的額外約束,運用了較多的矩陣變換.文獻[8]采用位姿分離法求解機械臂正逆解,用9個參數(shù)表示末端姿態(tài).

本研究采用位姿分離法分析機械臂逆運動學(xué).首先,采用Denavit-Hartenberg(D-H)坐標法進行正運動學(xué)建模,姿態(tài)逆解時采用歐拉角表示末端相對于基座的姿態(tài),將姿態(tài)變量減為3個,從而減少了計算量.

1 正運動學(xué)分析

機械臂正運動學(xué)即根據(jù)機械臂的各關(guān)節(jié)變量求解機械臂末端的位姿.在機械臂各連桿上建立D-H坐標系,計算相鄰連桿間的齊次坐標變換矩陣,進而計算機械臂末端相對于基座的齊次變換矩陣.

1.1 連桿坐標系及參數(shù)表

模塊化機械臂由若干單自由度模塊化關(guān)節(jié)和連桿串聯(lián)而成,7自由度機械臂有7個關(guān)節(jié),初始狀態(tài)為機械臂豎直向上的展開狀態(tài).

通過7自由度機械臂建立D-H坐標系(見圖1),自下而上為機械臂的每個關(guān)節(jié)編號1～7, Oi表示各個坐標系原點,其中O1和O2重合,O3和O4重合,O5,O6和O7重合.第1,3,5,7關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線均垂直于地面,第2,4,6關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線與地面平行,其中第5,6,7關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線相交于一點.

圖1 D-H坐標系Fig.1 D-H coordinate systems

1.2 機械臂正運動學(xué)

根據(jù)D-H坐標系,D-H參數(shù)如表1所示.相鄰兩連桿齊次坐標變換矩陣通式為

式中,ai?1,αi?1,di,θi為一組D-H參數(shù),cθi=cosθi,sθi=sinθi.

表1 D-H坐標系參數(shù)Table 1 D-H coordinate parameters

由式(1)依次計算機械臂相鄰兩連桿間的齊次坐標變換矩陣,則機械臂末端相對于基座的齊次坐標變換矩陣為

式中,

其中ci=cosθi,si=sinθi,i=1,2,…,7.07T中各元素參見附錄A.

2 逆運動學(xué)分析

機械臂的逆運動學(xué)分析,即已知機械臂末端空間位姿,求解各關(guān)節(jié)變量,通常采用反變換法、幾何法和解析法等.7自由度機械臂運動學(xué)逆解是研究難點之一.從式(2)中的px,py, pz可以看出,機械臂末端位置只與前4個關(guān)節(jié)變量有關(guān),θ5,θ6,θ7與機械臂末端的空間位置無關(guān),僅與機械臂末端的空間姿態(tài)有關(guān).故可采用位姿分離法進行7自由度機械臂逆運動學(xué)分析.

2.1 機械臂位置逆解

由于7自由度機械臂是冗余的,因此進行逆運動學(xué)分析時,除了需給定末端位姿外,還需增加機械臂的一個約束條件.最簡單的方法即指定一個冗余關(guān)節(jié),其關(guān)節(jié)角位移可以是轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)的任意值.

前4個關(guān)節(jié)變量中第4關(guān)節(jié)變量可基于O1和O7的坐標用解析法直接求得,而第1,2關(guān)節(jié)都會對末端位置產(chǎn)生直接影響,因此選取第3關(guān)節(jié)為冗余關(guān)節(jié).

下面根據(jù)機械臂末端位置和θ3來求解θ1,θ2,θ4.

(1)關(guān)節(jié)變量θ4.由于機械臂的第2,4關(guān)節(jié)和末端關(guān)節(jié)的中心始終在同一平面上,因此可以采用幾何解析法求解θ4(見圖2).

圖2 運動學(xué)逆解示意圖Fig.2 Schematic diagram of inverse kinematics

圖2所示的△O2O4O5中,采用余弦定理可求出∠O2O4O5,則由θ4和∠O2O4O5的互補關(guān)系可求得

式中,l1=O0O2,l2=O2O4,l3=O4O5,末端位置坐標為(px,py,pz).

(2)關(guān)節(jié)變量θ2.由式(2)中

(3)關(guān)節(jié)變量θ1.由式(2)中

2.2 機械臂姿態(tài)逆解

下面根據(jù)期望的機械臂末端姿態(tài),求解關(guān)節(jié)變量θ5,θ6和θ7.設(shè)定z-y-z歐拉角(α,β,γ)表示機械臂末端相對于基座的空間姿態(tài),則用歐拉角表示的末端相對于基座的齊次變換矩陣為

求得.由

為已知,可求得θ5,θ6和θ7,即

式中,

假設(shè)機械臂末端的空間姿態(tài)即歐拉角已知,則由式(6)可確定關(guān)節(jié)變量θ5,θ6,θ7.

2.3 計算示例

2.3.1 機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)

以SCHUNK公司的模塊化7自由度機械臂為例,根據(jù)期望末端空間位姿,通過運動學(xué)逆解計算各關(guān)節(jié)角位移.7自由度機械臂結(jié)構(gòu)如圖3所示.機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)為l1= 293.5 mm,l2=340.0 mm,l3=294.5 mm.

圖3 模塊化7自由度機械臂Fig.3 Modular 7-DOF manipulator

2.3.2 末端期望空間位姿

選擇機械臂末端點為第5,6,7關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸線的交點,末端姿態(tài)用歐拉角表示.機械臂初始狀態(tài)為豎直展開狀態(tài).

(1)設(shè)定末端期望位置.設(shè)末端期望運動軌跡共100 s,由以下3個分段函數(shù)組成:當(dāng)0 ≤ t<40時,

當(dāng)40 ≤ t<60時,

當(dāng)60 ≤ t ≤ 100時,

機械臂末端期望運動軌跡如圖4所示.

圖4 設(shè)定的末端軌跡Fig.4 Predefined track of the end-effector

(2)設(shè)定末端期望姿態(tài).機械臂末端姿態(tài)用歐拉角表示,設(shè)定歐拉角如下:當(dāng)0 6 t< 40時,

當(dāng)40 ≤ t<60時,

當(dāng)60 ≤ t ≤ 100時,

設(shè)定的機械臂末端姿態(tài)變化如圖5所示.

圖5 設(shè)定的末端姿態(tài)Fig.5 Predefined pose of end-effector

2.3.3 逆解計算

根據(jù)機械臂末端期望位姿,計算各關(guān)節(jié)變量隨時間的變化曲線如圖6所示.可以看出,各關(guān)節(jié)角位移連續(xù)無突變,可以滿足機械臂運動平穩(wěn)性的要求.

圖6 各關(guān)節(jié)角位移Fig.6 Angle displacement of each joint

3 逆運動學(xué)仿真驗證

以SCHUNK模塊化7自由度機械臂為例,基于虛擬樣機技術(shù)進行逆運動學(xué)建模仿真驗證.將機械臂三維模型導(dǎo)入ADAMS建模與仿真軟件中,定義各連桿和關(guān)節(jié)的約束關(guān)系,添加各關(guān)節(jié)運動驅(qū)動函數(shù),用STEP函數(shù)表示,仿真周期為100 s.機械臂虛擬樣機模型如圖7所示.

虛擬樣機仿真結(jié)果即末端空間位置在基坐標系中沿各坐標運動軌跡,以及用歐拉角表示的末端空間姿態(tài)如圖8所示.

圖7 機械臂仿真模型Fig.7 Simulation model of manipulator

通過機械臂虛擬樣機仿真,得到末端運動軌跡在3個坐標軸上的投影,如圖8(a)和(b)所示.與圖4設(shè)定的期望軌跡對比,可以看出:理論計算與仿真結(jié)果一致.

通過機械臂虛擬樣機仿真,獲得的機械臂末端姿態(tài)用歐拉角表示,如圖8(c)所示.與圖5設(shè)定的期望姿態(tài)對比,可以看出:理論計算與仿真結(jié)果基本一致.

圖8 ADAMS仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results in ADAMS

4 結(jié)束語

冗余機械臂能提高機械臂的靈活性,但會增加機械臂逆運動學(xué)求解難度.本研究采用位姿分離法,求解7-DOF機械臂逆運動學(xué)解析解.求姿態(tài)逆解時,采用3個歐拉角描述姿態(tài),減少了運算量.以SCHUNK機械臂為例,進行運動學(xué)正逆解分析,并基于虛擬樣機技術(shù)進行了仿真驗證.

[1]陳鵬,劉璐.一種仿人機械臂的運動學(xué)逆解的幾何求解方法[J].機器人,2012,34(2):211-216.

[2]Dagraca M M,Fernando B M D,Machado J A T.Fractional dynamics in the trajectory control of redundant manipulators[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2008,13(9):1836-1844.

[3]張秋毫,孫漢旭,葉平,等.冗余度機器人附加速度避障方法[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2004,17(3): 4-6.

[4]趙建文,李來航,左志遠.冗余度機器人梯度投影逆解算法的改進[J].機械科學(xué)與技術(shù),2009,28(5): 618-621.

[5]Yun Y S,Moon C.Comparison of adaptive genetic algorithm for engineering optimization problems[J].International Journal of Industrial Engineering,2003,10(4):584-590.

[6]Wang J P,Xu C S,Sun X J,et al.A novel genetic algorithm and its application in variable structure control of robot[J].Journal of Shanghai University:English Edition,2005,9(3): 255-260.

[7]王海,蔡鳳英,張為公.一種7DOF機械臂逆運動學(xué)解析算法及其應(yīng)用[J].江蘇大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,32(3):254-259.

[8]徐俊虎,欒楠,張詩雷,等.7自由度機械臂的運動學(xué)逆解與優(yōu)化[J].機電一體化,2011,6:28-33.

附錄A

Inverse kinematics analysis of modular manipulator by separating attitude from position

LEI Jing-tao,DAI Wen-jie
(School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The kinematics for a 7-DOF(degrees of freedom)redundant manipulator is analyzed.The Denavit-Hartenberg(D-H)method is used to analyze forward kinematics. Position and attitude of the end-effector with respect to the base are obtained.Attitude is separated from position in analyzing inverse kinematics.For the position inverse kinematics,angular-displacement of the former four joints is obtained under a constraint condition. For the attitude inverse kinematics,the Euler angles are used to describe attitude of the end-effector with respect to the base.This way,the calculation is reduced.For the modular 7-DOF manipulator produced by SCHUNK,kinematics is analyzed and verified by virtual prototyping simulation.

7-DOF;redundant manipulator;inverse kinematics;separating attitude from position

TP 242

A

1007-2861(2015)05-0588-10

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.02.015

2013-12-06

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)子課題資助項目(SS2012AA041604)

雷靜桃(1970—),女,副教授,研究方向為機器人技術(shù).E-mail:jtlei2000@163.com