六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究_孙亮
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六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要:近年来,随着工业自动化的快速发展,机械臂在生产制造领域的应用越来越广泛。
作为工业机器人的重要组成部分,机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点。
本文围绕六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真展开研究,通过对机械臂的结构、动力学模型和运动学原理的分析,设计了一套完整的机械臂控制系统,并进行了运动学仿真验证实验。
研究结果表明,该控制系统能够实现六自由度机械臂的准确控制和精确运动。
关键词:六自由度机械臂,控制系统,运动学仿真,结构分析,动力学分析1. 引言机械臂是一种能够替代人工完成各种物体抓取、搬运和加工任务的重要设备。
随着工业自动化程度的提高和生产效率的要求,机械臂在生产制造行业中的应用越来越广泛。
机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点,尤其是六自由度机械臂。
六自由度机械臂具有较大的运动自由度,在复杂任务中具有更强的工作能力和适应性。
因此,研究六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真对于改善机械臂的性能和应用具有重要意义。
2. 机械臂结构分析六自由度机械臂的结构由底座、第一至第六关节组成。
底座作为机械臂的固定支撑,通过第一关节与机械臂连接。
第一至第四关节形成了前臂部分,决定了机械臂的悬臂长度。
第五关节和第六关节分别为腕部和手部,负责完成机械臂的末端操作。
结构分析可以为后续的动力学和运动学建模提供基础。
3. 动力学模型机械臂的动力学模型是基于牛顿第二定律和欧拉定理建立的。
通过考虑机械臂各关节的质量、惯性和振动特性,可以对机械臂的力学性能进行描述。
动力学模型的建立是机械臂控制系统设计的重要基础。
4. 运动学原理机械臂的运动学原理研究机械臂的位置、速度和加速度之间的关系。
通过运动学原理可以确定机械臂的姿态和末端位置,实现机械臂的准确定位和精确控制。
运动学原理是机械臂控制系统设计和运动学仿真的重要内容。
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着现代工业的快速发展,机械臂已成为自动化生产线上不可或缺的一部分。
六自由度机械臂因其高度的灵活性和适应性,在工业、医疗、军事等领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍六自由度机械臂控制系统的设计与运动学仿真,旨在为相关领域的研究和应用提供参考。
二、六自由度机械臂结构及特点六自由度机械臂主要由关节、驱动器、控制系统等部分组成。
其结构包括六个可独立运动的关节,通过控制每个关节的旋转角度,实现空间中任意位置的到达。
六自由度机械臂具有较高的灵活性和工作空间,适用于复杂环境下的作业。
三、控制系统设计(一)硬件设计控制系统硬件主要包括微处理器、传感器、执行器等部分。
微处理器负责接收上位机指令,解析后发送给各个执行器;传感器用于检测机械臂的位置、速度、加速度等信息,反馈给微处理器;执行器则根据微处理器的指令,驱动机械臂进行运动。
(二)软件设计软件设计包括控制系统算法和程序设计。
控制系统算法包括运动规划、轨迹跟踪、姿态控制等,通过算法实现对机械臂的精确控制。
程序设计则包括上位机程序和下位机程序,上位机程序负责发送指令,下位机程序负责接收指令并执行。
四、运动学仿真运动学仿真是指通过数学模型对机械臂的运动过程进行模拟,以验证控制系统的正确性和可靠性。
运动学仿真主要包括正运动学和逆运动学两部分。
(一)正运动学正运动学是指通过关节角度计算机械臂末端的位置和姿态。
通过建立机械臂的数学模型,利用关节角度计算末端执行器的位置和姿态,为后续的轨迹规划和姿态控制提供依据。
(二)逆运动学逆运动学是指根据机械臂末端的位置和姿态,计算关节角度。
通过建立逆运动学方程,将末端执行器的目标位置和姿态转化为关节角度,实现对机械臂的精确控制。
五、实验与分析通过实验验证了六自由度机械臂控制系统的设计和运动学仿真的正确性。
实验结果表明,控制系统能够实现对机械臂的精确控制,运动学仿真结果与实际运动过程相符。
收稿日期:2022-12-04基金项目:国家自然科学基金(61903025);北京科技大学青年教师学科交叉研究项目(FRF IDRY GD22 002)引用格式:卢紫超,李通,孙泽文,等.基于干扰观测器的机械臂广义模型预测轨迹跟踪控制[J].测控技术,2023,42(9):81-87.LUZC,LIT,SUNZW,etal.DisturbanceObserver BasedGeneralizedModelPredictiveTrajectoryTrackingControlforRoboticManipulators[J].Measurement&ControlTechnology,2023,42(9):81-87.基于干扰观测器的机械臂广义模型预测轨迹跟踪控制卢紫超1,李 通1,孙泽文1,田 霖2,孙 亮1,刘冀伟3(1.北京科技大学智能科学与技术学院,北京 100083;2.中华人民共和国民政部一零一研究所,北京 100070;3.北京科技大学自动化学院,北京 100083)摘要:为实现对多自由度机械臂关节运动精确轨迹跟踪,提出一种基于非线性干扰观测器的广义模型预测轨迹跟踪控制方法。
针对机械臂轨迹跟踪运动学子系统,采用广义预测控制(GeneralizedPredictiveControl,GPC)方法设计期望的虚拟关节角速度。
对于机械臂轨迹跟踪动力学子系统,考虑机械臂的参数不确定性和未知外界扰动,利用GPC方法设计关节力矩控制输入,基于非线性干扰观测器方法实时估计和补偿系统模型中的不确定性。
在李雅普诺夫稳定性理论框架下证明了机械臂关节角位置和角速度的跟踪误差最终收敛于零的小邻域。
数值仿真验证了所提出控制方法的有效性和优越性。
关键词:机械臂控制;轨迹跟踪;广义预测控制;干扰观测器;稳定性分析中图分类号:TP391.9 文献标志码:A 文章编号:1000-8829(2023)09-0081-07doi:10.19708/j.ckjs.2023.09.012DisturbanceObserver BasedGeneralizedModelPredictiveTrajectoryTrackingControlforRoboticManipulatorsLUZichao1牞LITong1牞SUNZewen1牞TIANLin2牞SUNLiang1牞LIUJiwei3牗1.SchoolofIntelligenceScienceandTechnology牞UniversityofScienceandTechnologyBeijing牞Beijing100083牞Cina牷2.The101ResearchInstitute牞MinistryofCivilAffairsofthePeople sRepublicofChina牞Beijing100070牞Cina牷3.SchoolofAutomationandElectricalEngineering牞UniversityofScienceandTechnologyBeijing牞Beijing100083牞Cina牘Abstract牶Inordertorealizetheaccuratetrajectorytrackingofthemulti degreesoffreedomroboticmanipula torsinthejointmotionspace牞arobustgeneralizedpredictivecontrolmethodbasedonthenonlineardisturb anceobservermethodisproposed.Forthekinematicsubsystemoftheroboticmanipulatortrajectorytrackingmissions牞thedesiredangularvelocitytrajectoryisdevelopedbythegeneralizedmodelpredictivecontroltheo ry.Then牞consideringtheparametricuncertaintiesandunknownexternaldisturbancesforthedynamicsubsys temoftheroboticmanipulatortrajectorytrackingmissions牞theGPCmethodisadoptedtodesignthetorquecontrolinput牞thenonlineardisturbanceobserverisemployedtocompensatethelumpedunknownperturbationsinthedynamics.UndertheframeworkofLyapunovstabilitytheory牞itisprovedthatthejointangletrajectorytrackingerrorsandangularvelocitytrackingerrorsultimatelyconvergetothesmallneighborhoodsofzero.Theeffectivenessandadvantagesoftheproposedmethodarefinallyverifiedbynumericalsimulations.Keywords牶roboticmanipulatorcontrol牷trajectorytracking牷GPC牷disturbanceobserver牷stabilityanalysis 机械臂是高精度、多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。
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六自由度空间柔性机械臂的动力学分析与仿真
作者:郭秉华贾庆轩褚明
来源:《中国新技术新产品》2008年第21期
摘要:突破了仅对两自由度平面柔性机械臂进行研究的传统,而对多自由度空间柔性机械臂进行动力分析。
用假设模态法表示臂杆柔性,并将变形量融入D-H坐标系,通过对机械臂
末端的轨迹规划得到刚性运动学的逆解。
运用Kane方法对多自由度的空间柔性机械臂进行动力学建模,推导出完整的系统动力学方程,采用较高精度的四阶龙格-库塔法对动力方程进行积分求解。
给定一个六自由度柔性机械臂模型,并对其进行数值仿真,验证了臂杆柔性对机械臂的动力响应产生的重要影响。
关键词:柔性机械臂;动力学;Kane;数值解;龙格-库塔
本文考虑臂杆柔性,对某六自由度空间柔性机械臂进行运动学规划和动力学分析,用Kane方法推导柔性机械臂的动力学方程,并用较高精度的四阶龙格-库塔法进行数值求解。
针对一具体的直线操作任务进行了动力数值仿真,给出了臂杆柔性对机械臂操作精度的影响。
1柔性机械臂运动学
1.1坐标系的建立和坐标系的变换
按照D-H规则建立连杆i-1固连的坐标系oi-1-Xi-1Yi-1Zi-1与连杆i固连的坐标系oi-XiYiZi,图1示出了他们之间的变换过程:o'i-X'iY'iZ'i系为当连杆i-1未变形且关节i未动作时i杆上的坐标系,由于i-1杆发生柔性变形,o'i-X'iY'iZ'i变为o"i-X"iY"iZ"i;关节i发生动作旋转?兹i角后,最终o"i-X"iY"iZ"i变换到oi-XiYiZi。
六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究一、本文概述随着工业自动化和智能制造的快速发展,六自由度串联机器人在许多领域,如汽车制造、航空航天、医疗手术等,都发挥着越来越重要的作用。
这类机器人具有高度的灵活性和精确的运动控制能力,能够完成复杂的空间轨迹跟踪任务。
然而,随着对机器人性能要求的不断提高,如何实现运动优化和轨迹跟踪控制成为了当前研究的热点问题。
本文旨在深入研究六自由度串联机器人的运动优化与轨迹跟踪控制问题。
文章将介绍六自由度串联机器人的基本结构和运动学模型,为后续的研究奠定理论基础。
然后,通过分析机器人的运动特性,研究如何优化其运动性能,以提高机器人的工作效率和稳定性。
在此基础上,文章将深入探讨轨迹跟踪控制算法的设计和实现,包括传统的控制方法和现代的控制策略,以期实现更精确的轨迹跟踪和更高的控制性能。
通过本文的研究,旨在为六自由度串联机器人的运动优化和轨迹跟踪控制提供理论指导和实际应用参考,推动机器人在工业自动化和智能制造领域的更广泛应用。
二、六自由度串联机器人运动学建模在探讨六自由度串联机器人的运动优化与轨迹跟踪控制之前,首先需要对机器人的运动学特性进行深入了解。
运动学建模是分析机器人运动的基础,它涉及机器人各关节之间的相对位置和姿态关系,以及末端执行器在三维空间中的运动轨迹。
六自由度串联机器人通常由多个刚体通过旋转或移动关节串联而成。
每个关节都具有一个或多个自由度,允许机器人在各个方向上移动或旋转。
为了建立机器人的运动学模型,需要确定各关节的几何参数和相对位置关系。
在建模过程中,通常采用D-H参数法(Denavit-Hartenberg参数法)来描述机器人的连杆和关节。
D-H参数包括连杆长度、连杆扭角、关节角度和关节偏距,通过这些参数可以唯一确定机器人的结构和姿态。
基于D-H参数,可以建立机器人的正运动学方程,该方程描述了机器人各关节变量与末端执行器位置和姿态之间的关系。
正运动学方程的求解通常涉及矩阵运算和坐标变换,通过这些计算可以得到末端执行器在基坐标系中的位置和姿态。
六自由度机械臂运动规划六自由度机械臂运动规划摘要:本文介绍了六自由度机械臂运动规划的相关理论及实践应用,涵盖了机器人运动规划的基本流程、运动学、轨迹生成、碰撞检测等方面。
通过对机器人的自主学习与优化,为工业生产提供了更高效、更精准的生产力量。
关键词:机器人、运动规划、六自由度、运动学、轨迹生成一、引言近年来,随着工业自动化水平的提升与机器人技术的不断成熟,机器人的运动规划成为了机器人领域中一个重要的研究方向。
机器人运动规划的目标是生成机器人能够执行的、符合任务要求的运动轨迹。
本文旨在介绍六自由度机械臂运动规划的相关理论、算法及实践应用。
二、机器人运动规划的基本流程机器人运动规划的基本流程包括:建模、运动学分析、约束建模、轨迹生成、路径规划、碰撞检测和性能评估。
其中,运动学分析是机器人运动规划中十分重要的一环,它确定的是机器人的末端在三维空间中的位置和方向。
三、六自由度机械臂的运动学六自由度机械臂是指机械臂具有六个运动自由度,分别为:x,y,z方向的平移自由度和绕x,y,z轴的旋转自由度。
六自由度机械臂的运动学可以通过矩阵变换来表示,通过矩阵变换能够精确计算机器人末端在三维空间中的位置和方向。
四、轨迹生成在确定机器人的末端位置和方向后,需要产生一条能够满足任务需求的运动路径。
轨迹生成是机器人运动规划中比较困难的一部分,需要考虑整个轨迹的平滑性、速度规划和轨迹的长度等因素。
五、碰撞检测在生成轨迹后,还需要进行碰撞检测,以确保机器人在运动过程中不会碰触到其它物体或机器人。
碰撞检测需要考虑到机器人的形状和大小、环境中的其它物体、碰撞检测的精度等因素。
六、实践应用机器人运动规划广泛应用于工业生产、医疗保健、物流等领域。
例如,机器人运动规划可以用于工业装配、零件加工、医疗手术等方面,提高了生产效率和手术精度。
七、结论随着机器人技术的不断发展,机器人运动规划将成为一个越来越重要的研究方向。
不断提高机器人运动规划的精度和效率,将能够为工业生产、医疗手术等领域提供更高水平的服务八、挑战与展望虽然机器人运动规划已经取得了许多成果,但仍面临着许多挑战。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真一、本文概述随着机器人技术的快速发展,六自由度机械臂作为一种重要的机器人执行机构,在工业自动化、航空航天、医疗手术等领域得到了广泛应用。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真研究对于提高机械臂的运动性能、优化控制策略以及实现高精度操作具有重要意义。
本文旨在深入探讨六自由度机械臂控制系统的设计原理与实现方法,并通过运动学仿真验证控制系统的有效性和可靠性。
本文将首先介绍六自由度机械臂的基本结构和运动学原理,包括机械臂的正运动学和逆运动学分析。
在此基础上,详细阐述六自由度机械臂控制系统的总体设计方案,包括硬件平台的选择、控制算法的设计以及传感器的配置等。
接着,本文将重点介绍控制系统的核心算法,如路径规划、轨迹跟踪、力控制等,并分析这些算法在六自由度机械臂运动控制中的应用。
为了验证控制系统的性能,本文将进行运动学仿真实验。
通过构建六自由度机械臂的运动学模型,模拟机械臂在不同工作环境下的运动过程,并分析控制系统的实时响应、运动精度以及稳定性等指标。
本文将总结六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真的研究成果,并展望未来的研究方向和应用前景。
通过本文的研究,旨在为六自由度机械臂控制系统的设计与优化提供理论支持和实践指导,推动机器人技术在各领域的广泛应用和发展。
二、六自由度机械臂基本理论六自由度机械臂,又称6DOF机械臂,是现代机器人技术中的重要组成部分。
其理论基础涉及机构学、运动学、动力学以及控制理论等多个领域。
六自由度机械臂之所以得名,是因为其末端执行器(如手爪、工具等)可以在三维空间中实现六个方向上的独立运动,包括三个平移运动(沿、Y、Z轴的移动)和三个旋转运动(绕、Y、Z轴的转动)。
机构学基础:六自由度机械臂的机构设计是其功能实现的前提。
通常,它由多个连杆和关节组成,每个关节都有一个或多个自由度。
通过合理设计连杆的长度和关节的配置,可以实现末端执行器在所需空间内的灵活运动。
六自由度机械臂轨迹规划及优化研究一、本文概述理论基础与问题阐述:本文将系统梳理六自由度机械臂的数学模型,包括其笛卡尔坐标系下的运动学逆解与正解、动力学建模,以及关节空间与操作空间之间的转换关系。
在此基础上,明确阐述轨迹规划与优化所面临的关键问题,如奇异位形规避、关节速度与加速度限制、路径平滑性要求、动态负载变化等因素对规划算法设计的影响。
轨迹规划方法:针对上述问题,我们将探讨和比较多种有效的轨迹规划策略。
这包括基于插值的连续路径生成方法(如样条曲线、Bzier曲线),基于优化的全局路径规划算法(如RRT、PRM等),以及考虑机械臂动力学特性的模型预测控制(MPC)方法。
对于每种方法,将详细分析其原理、优势、适用场景及可能存在的局限性,并通过实例演示其在典型任务中的应用效果。
轨迹优化技术:在基本轨迹规划的基础上,本文将进一步探究如何运用先进的优化算法对初始规划结果进行精细化调整,以达到性能最优。
这包括使用二次规划、非线性优化、遗传算法等手段对轨迹的关节角序列、时间参数化、能量消耗等指标进行优化。
还将讨论如何引入避障约束、柔顺控制策略以及自适应调整机制,以增强机械臂在复杂环境和不确定条件下的适应性和鲁棒性。
实验验证与性能评估:本文将通过仿真研究与实际硬件平台上的试验,对所提出的轨迹规划与优化方案进行详细的验证与性能评估。
实验设计将涵盖多种典型应用场景,考察规划算法的计算效率、轨迹跟踪精度、能耗表现以及对意外扰动的响应能力。
实验结果将以定量数据与可视化方式呈现,以便于对比分析和理论验证。
本文致力于构建一套全面且实用的六自由度机械臂轨迹规划与优化框架,为相关领域的研究者和工程技术人员提供理论指导与实践参考,推动六自由度机械臂技术在实际应用中的效能提升与技术创新。
二、六自由度机械臂系统建模在六自由度机械臂的研究与应用中,系统建模是一个关键环节。
本节将重点讨论六自由度机械臂的数学建模,包括其运动学模型和动力学模型。
2010年5月第17卷第3期控制工程Contr o l Eng i n eering o f China M ay 2010Vo.l 17,N o .3文章编号:1671-7848(2010)03-0388-05收稿日期:2008-10-07; 收修定稿日期:2009-03-05基金项目:国家/863计划0资助项目(2007AA04Z226);国家自然科学基金资助项目(60774077);北京市教委重点基金资助项目(KZ200810005002)作者简介:孙 亮(1951-),男,北京人,副教授,研究生,主要从事学习控制,智能系统等方面的教学与科研工作;阮晓钢(1958-),男,教授,博士生导师。
六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究孙 亮,马 江,阮晓钢(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124)摘 要:针对六自由度链式机械臂在进行正运动学、逆运动学以及轨迹规划仿真时,不易直观地验证运动学算法的正确性和轨迹规划的效果,在正确建立机械臂数学模型的基础上,重点分析了机械臂在关节空间中轨迹规划的两种实现方法,并采用三维运动仿真进行了验证。
开发了一套六自由度机械臂三维仿真软件,该仿真软件在VC ++610开发平台上,首先利用分割类将基于M FC 框架的窗口分割成为控制窗口和视图窗口两部分,然后利用Open GL 的图形库对机械臂进行建模,首次将正运动学、逆运动学以及轨迹规划算法融入其中开发而成。
该仿真软件有效地验证了机械臂运动学模型建立的正确性,同时也对三次多项式和五次多项式两种轨迹规划方法做了直观的比较,结果表明后一种轨迹规划效果明显优于前一种。
关 键 词:机械臂;运动学分析;轨迹规划;运动仿真中图分类号:TP 241;TP 391 文献标识码:AT rajectory P lann i ng and S m i u l ati on of 6-DOF M an i pulatorSU N L iang,MA J i a ng,RUA N X iao-gang(C ollege of E lectron ic In f or m ati on and Con trol Engi n eeri ng ,Beiji ng Un i versity ofT echnology ,B eiji ng 100124,Ch i n a)Abstrac t :Consi der i ng that the ki ne m a tic algor it h m correct ness and trogecory p l aning results are no t easy to v isuall g ver if y f o r t he Km e -m atic analysis ,i nverse kinema ti cs ana l ysis and trajectory planning si m l a i on a i n i ng a t 6-DO F m anpu l a t o r ,t wo me t hods o f trajectoryp l ann i ng based on jo i nt space are analyzed 1T o d irec tly compare the effects o f t w o types o fm otion p lann i ng ,a 3D m otion si m ulati on sof-t w are syste m is deve l oped based on M FC and O pen G L graphic library on VC ++610IDE 1The forward ki nema ti cs ,i nve rse kinema -t ics 1and trajectory planning a l go rith m are integ ra ted into t he si m u lati on soft w are 1The si m ulati on soft w are sy stem o f 6-DOF m ani pulator show s the vali d ity of t he k i ne m atics m odel 1T he resu lt of tra jectory plann i ng m ethods of the cub ic polynom ia l and the fifth po lynom -i a l 1shows that t he l a ter eff ec t of trajectory planning is superior to f o r m er one 1K ey word s :m an i pu l a tor ;k i ne m atics ana lysis ;tra jectory p lann i ng ;m otion s i m u l a ti on1 引 言六自由度链式(6R )机械臂的轨迹规划既可以在关节空间,也可以在直角坐标空间中进行。
由于在关节空间中进行轨迹规划是直接用运动时的受控变量规划轨迹,有着计算量小,容易实时控制,而且不会发生机构奇异性[1]等优点,所以经常被采用。
但是这种方法难以确定各杆和末端抓持器位置,所以开发一套能够直观地监视机械臂各个部分运动的三维仿真软件变得极为重要。
文献[2]在M atlab 平台下开发了Robotics 工具箱,能够通过函数实现对机器臂进行正、逆运动学以及轨迹规划分析,实现了简单的运动学仿真。
文献[3]基于OpenGL 图形库开发了一套机械臂仿真系统,实现了机械臂的正、逆运动学仿真。
文献[4]利用文献[3]的方法,且通过定时器,不断刷新视图,达到了动画的效果,但是并没有提供具体的轨迹规划算法。
本文首次将轨迹规划算法融入开发的六自由度机械臂三维仿真软件中,有效直观地验证了两种插值函数轨迹规划的效果。
2 运动学分析机械臂坐标系,如图1所示。
图1 机械臂坐标系F ig 11Coordinate of 6R m an i pu lator6R 机器臂是具有6个关节的空间机构,为描述末端执行器在空间的位置和姿态,可以在每个关节上建立一个坐标系,利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位置。
1)运动学正解正运动学的求解过程是根据已知关节变量H1,H2,H3,H4,H4,H6求末端抓持器相对于参考坐坐标系的位姿的过程。
使用标准的上关节D-H法,将参考坐标系设在6R机械臂的基座上,从基座开始变换到第一关节,然后到第二关节,,,最后变化到末端抓持器。
6R机器臂的基座和手之间的总变换为R TH=R T0T11T22T33T44T55TH=A0A1A2A3A4A5A H=C1(C234C5C6-S234S6)-S1S5C6C1(-C234C5C6-S234C6)+S1S5S6C1(C234S5)+S1C5C1(C234L4+C23L3+C2L2)S1(C234C5C6-S234S6)+C1S5S6S1(-C234C5C6-S234C6)-C1S5S6S1(C234S5)-C1C5S1(C234L4+C23L3+C2L2)S234C5C6+C234S6-S234C5C6+C234C6S234S5S234L4+S23L3+S2L2+L1+S234S5L5 0001(1)式中,A0为基座坐标系到坐标系0(关节一)之间的变换矩阵;A1为坐标系0到坐标系1之间的变换矩阵;A H为坐标系5到坐标系H之间的变换矩阵;S12=si n(H1+H2);C12=cos(H1+H2);S123=si n(H1+H2+H3)。
可以制作关节和连杆参数的表格,见表1。
表1D-H参数表Table1Para m eter table连杆变量d a A cos A si n A1H1L1090b012H20L20103H30L30104H40L4-90b0-15H50090b016H6L500102)运动学逆解逆运动学的求解过程是根据已知的末端抓持器相对于参考坐标系的位姿,求关节变量H1,H2,H3,H4,H5,H6的过程,它是机器人运动规划和轨迹控制的基础,也是运动学最重要的部分。
先给出机器人的期望位姿表达式:R TH=n x o x a x p xn y o y a y p yn z o z a z pz0001(2)式(2)为式(1)另一表达形式,向量n,o,a,分别表示法线(nor m al)、指向(orientati o n)和接近(approach)向量;p向量为末端抓持器坐标系原点相对于基座坐标系的位置向量。
通常,p可以根据工件位置给出,而n,o,a 这三个向量可以通过RPY(滚动角<n,俯仰角<o和偏航角<a)旋转给出。
由式(3)表示:RPY(<a,<o,<n)=R ot(a,<a)Rot(o,<0)Rot(n,<n)=C<a C<oC<aS<oS<n-S<aC<nC<aS<oC<n+S<aS<nS<a C<o S<a S<o S<n-C<a C<n S<a S<o C<n-C<a S<n0-S<0C<0S<n C<0C<n00001(3)对于式(1)有许多角度的耦合,如S123,为了求出单个角度的正切从而算出角度,首先要对其解耦,可以通过式(1)中R T H矩阵左乘A-1n矩阵,使得方程右边不包含这个角度。
为了计算简便将关节一和关节二以及关节五和关节六合在一起,其结构,如图2所示。
图2修改过后的6R机械臂坐标F i g12M od ified coord i nate of6R man ipulator那么6R机器臂的基座和手之间的总变换为R TH=R T0T11T22T33T44T55TH=A0A1A2A3A4A5A6A= n x o x a x p xn y o y a y p yn z o z a z p z0001(4) A6=C6-S600S6C60000100001,A H=5T H=10000100001L50001将上式左乘A-1然后再右乘A-1可得:A-10R T H A-1=A1A2A3A4A5A6=n x o x a x p x-a x L5n y o y a y p y-a y L5n z o z a z p z-L1-a z L50001(5)依次左乘A-11,A-12,A-13,A-14,A-15得到不同的等式从而得出各个关节转角的值,得:H1=arctan(p y-a y L5p x-a x L5)或H1=H1+180b(6a)#389#第3期孙亮等:六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究H 234=arctan(a zC 1a x +S 1a y)或H 234=H 234+180bC 3=[(p x -a x L 5)C 1+(p y -a y L 5)S 1-C 234L 4]22L 2L 3+[p z -L 1-a z L 5-S 234L 4]2-L 22-L 232L 2L 3H 2=arctan(C 3L 3+L 2)(p z -L 1-a z L 5-S 234L 4)-(C 3L 3+L 2)[(p x -a x L 5)C 1+(p y -a y L 5)S 1-C 234L 4]+yz S 3L 3[(p x -a x L 5)C 1+(p y -a y L 5)S 1-C 234L 4]S 3L 3(p z -L 1-a z L 5-S 234L 4)(6b )H 2在-90b 到+90b 之间,所以不存在180b +H 2。