CN106166751A - 一种机器人运动补偿方法及机器人 - Google Patents

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吴培旭
高伟强
孙雪华
谭宝
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
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    • B25J9/1612—Programme controls characterised by the hand, wrist, grip control

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Abstract

本发明公开了一种机器人运动补偿方法，包括拆分机器人各关节传动路线，对各关节的传动路线独立分析；划分定轴轮系与周转轮系，根据轮系运转过程中，各轮轴线的几何位置固定情况，划分出各传动路线中的定轴轮系和周转轮系；进行转角计算，得出诱导转角；输出转角作叠加运算，将求出的三关节输出转角作叠加运算，得到修正后手腕三个关节转角与手腕直接输入转角的关系；系统传动比转换运算，得到修正后的关节转角与伺服电机输入转角之间的映射关系，将运动补偿方案转换为可执行指令文件输入机器人进行执行；如此设置，本发明公开的机器人运动补偿方法，其能够有效提高机器人工作的精准度。本发明还公开了一种采用上述运动补偿方法的机器人。

Description

一种机器人运动补偿方法及机器人
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，更具体的涉及一种机器人运动补偿方法及机器人。
背景技术
对于多自由度串联机器人的关节运动，若某一关节因另一关节的被驱动而引起运动，则称该机器人机构存在诱导运动。存在诱导运动的机器人机构，其关节的电机控制量不能由运动学方程逆解直接获得，而需对机构关节间的诱导运动关系进行分析，将各关节的转角进行补偿，以消除诱导运动对末端操作器位姿的影响，从而满足机器人轨迹跟踪和定位的要求。
关于机器人诱导运动的研究，目前还没有形成系统性的理论体系。国内外的一些学者对机构诱导运动的分析做出了努力，并取得一定的研究成果。然而大多是针对某一种特殊构型机器人的诱导运动问题而进行研究，其研究内容的一般适用性较差。因此，若能给出一种典型构型机器人的诱导运动补偿的具体方案，将明显提升机器人诱导运动理论的实用性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种适用于典型三自由度偏置式手腕构型机器人的机器人运动补偿方法。本发明还提供了一种采用上述补偿方法的机器人。
本发明提供的机器人运动补偿方法，包括具体的求解步骤如下：
步骤一，拆分机器人各关节传动路线，对各关节的传动路线独立分析，将所分析关节的电机设为驱动状态，其他关节的电机设为制动状态；
步骤二，划分定轴轮系与周转轮系，根据轮系运转过程中，各轮轴线的几何位置固定情况，划分出各传动路线中的定轴轮系和周转轮系；
步骤三，进行转角计算，得出诱导转角，对步骤一中各关节的输出转角进行分析，求出输出转角与输入转角的关系表达式；
步骤四，输出转角作叠加运算，将步骤三中求出的三关节输出转角作叠加运算，得到修正后手腕三个关节转角与手腕直接输入转角的关系；
步骤五，系统传动比转换运算，将步骤四获得的结果再作传动比转换，得到修正后的关节转角与伺服电机输入转角之间的映射关系，并由该映射关系得出运动补偿方案，将运动补偿方案转换为可执行指令文件输入机器人进行执行。
优选地，在步骤二中的周转轮系为三自由度偏置式手腕结构周转轮系。
优选地，所述周转轮系为一级周转轮系，诱导转角由该关节输出转角和上级关节驱动装置传递到腕部的输入转角共同确定。
优选地，所述周转轮系为嵌套式周转轮系，诱导转角由该关节输出转角、该关节驱动装置传递到腕部的输入转角、该关节上两级驱动装置传递到腕部的输入转角共同确定。
优选地，所述步骤一由机器人自带的检测和传输设备完成。
本发明还提供了一种机器人，所述机器人采用上述任一项所述的机器人运动补偿方法进行补偿操作。
进一步，所述机器人的手腕结构为三自由度偏置式手腕结构。
本发明的有益效果：
1)提高机器人工作的精准度：通过本发明的方法可以消除机器人诱导运动对末端操作器位姿的影响，从而提高机器人工作的精准度。
2)实用性高：本发明的方案针对典型构型的机器人，尤其是三自由度偏置式手腕构型机器人，比较现有技术的补偿方案，实用性更高，更利于推广。
附图说明
图1为本发明的机器人运动补偿方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中偏置式手腕结构简图；
图中标示说明：
1-轮、2-连杆、3-电机输入端、4-关节系统减速装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本具体实施方式所提供的机器人运动补偿方法，包括具体的求解步骤如下：
步骤一，拆分机器人各关节传动路线，对各关节的传动路线独立分析，将所分析关节的电机设为驱动状态，其他关节的电机设为制动状态；
步骤二，划分定轴轮系与周转轮系，根据轮系运转过程中，各轮轴线的几何位置固定情况，划分出各传动路线中的定轴轮系和周转轮系；
步骤三，进行转角计算，得出诱导转角，对步骤一中各关节的输出转角进行分析，求出输出转角与输入转角的关系表达式；
步骤四，输出转角作叠加运算，将步骤三中求出的三关节输出转角作叠加运算，得到修正后手腕三个关节转角与手腕直接输入转角的关系；
步骤五，系统传动比转换运算，将步骤四获得的结果再作传动比转换，得到修正后的关节转角与伺服电机输入转角之间的映射关系，并由该映射关系得出运动补偿方案，将运动补偿方案转换为可执行指令文件输入机器人进行执行。
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
首先，拆分出各个关节独立的传动路线，并将所分析关节的电机设为驱动状态，其他关节的电机均设为制动状态。故可有以下三种情况：
情况一：腕部关节一的电机驱动，关节二和关节三的电机制动；
情况二：腕部关节二的电机驱动，关节一和关节三电机制动；
情况三：腕部关节三的电机驱动，关节一和关节二电机制动。
接着，对以上三种情况的传动机构独立划分定轴轮系与周转轮系。
情况一
此种情况，不存在诱导运动。此时机构中，关节三的电机驱动经减速系统后使得连杆转动，各个关节轴线固定不动，轮系为定轴轮系，则有
解方程组(3)，得
情况二
当只有关节二电机驱动，即连杆三的转角为θ输入2(正向)，此时，关节一和关节二的轴线I1、I2固定不动，故轮系为定轴轮系，则有
解方程组(5)，得
对于周转轮系连杆四(连杆四为系杆)，为关节二的被驱动的引起关节三的诱导运动，属于上节所述求解诱导运动转角补偿算法步骤二中形式1(形式1是指没有内嵌的周转轮系)，有
式中，θ5为轮五的转角。
由于此时关节三的电机制动，故θ5＝0。
解方程组(7)，得
结合式(6)，得
式(9)为关节三输出转角θ输出3与关节二输入转角θ输入2的关系表达式，即由关节二的被驱动而单独引起关节三的诱导转角表达式。
情况三
当只有关节一电机驱动，连杆一的转角为θ输入1(正向)，此时，关节一的轴线I1固定不动，轮系连杆一(连杆一为系杆)为周转轮系，为关节一的被驱动单独引起关节二的诱导运动，属于周转轮系形式1，有，
式中，θ4为轮四的转角。
由于此时关节三的电机制动，故θ输入3＝0。
解方程组(10)，得
式(11)为轮四转角θ4与关节一输入转角θ输入1的表达式，即由连杆一的运动引起连杆四的诱导运动。
而连杆四的负向转动引起连杆六的负向转动为
式(12)为关节一的被驱动单独引起关节三诱导运动的表达式。
对于周转轮系连杆一，轮系连杆一(连杆一为系杆)为周转轮系，为关节一的被驱动单独引起关节二的诱导运动，属于周转轮系形式1，有，
式中，θ2为轮二的转角。
由于此时关节二的电机制动，故θ输入2＝0。
解方程组(13)，得
式(14)为轮二转角θ2与关节一输入转角θ输入1的表达式，即由关节一的运动引起关节二的诱导运动。
同时，周转轮系连杆一嵌套着周转轮系连杆四，属于周转轮系形式2(形式2是指有内嵌的周转轮系)，有
传动比为负表示连杆二绕I2轴线的正向转动引起了连杆六绕I3轴线的负向转动。
由θ5＝0，联立方程组(10)、方程组(13)和方程组(15)，得
式(16)为关节三输出转角与关节一输入转角的表达式。
将以上求出的各关节转角作叠加运算
由式(4)、式(9)、式(12)和式(16)，得修正后手腕关节三实际输入转角θ′输入3与手腕直接输入转角的关系
由式(4)和式(14)，得修正后手腕关节二实际输入转角θ′输入2与手腕直接输入转角的关系
修正后手腕关节一实际输入转角θ′输入1与手腕直接输入转角的关系θ′输入1＝θ输入1
考虑机构的减速装置传动比，设腕部3个关节减速系统的传动比分别为i1、i2、i3，故求得修正后的关节转角与伺服电机输入转角θ电机1、θ电机2、θ电机3之间的映射关系
进一步，本发明还提供了一种机器人，所述机器人采用上述机器人运动补偿方法进行补偿操作。
进一步，所述机器人的手腕结构为三自由度偏置式手腕结构。
以上对本发明所提供的一种机器人运动补偿方法及机器人进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种机器人运动补偿方法，其特征在于，包括具体的求解步骤如下：
步骤一，拆分机器人各关节传动路线，对各关节的传动路线独立分析，将所分析关节的电机设为驱动状态，其他关节的电机设为制动状态；
步骤二，划分定轴轮系与周转轮系，根据轮系运转过程中，各轮轴线的几何位置固定情况，划分出各传动路线中的定轴轮系和周转轮系；
步骤三，进行转角计算，得出诱导转角，对步骤一中各关节的输出转角进行分析，求出输出转角与输入转角的关系表达式；
步骤四，输出转角作叠加运算，将步骤三中求出的三关节输出转角作叠加运算，得到修正后手腕三个关节转角与手腕直接输入转角的关系；
步骤五，系统传动比转换运算，将步骤四获得的结果再作传动比转换，得到修正后的关节转角与伺服电机输入转角之间的映射关系，并由该映射关系得出运动补偿方案，将运动补偿方案转换为可执行指令文件输入机器人进行执行。
2.如权利要求1所述的机器人运动补偿方法，其特征在于，在步骤二中的周转轮系为三自由度偏置式手腕结构周转轮系。
3.如权利要求2所述的机器人运动补偿方法，其特征在于，所述周转轮系为一级周转轮系，诱导转角由该关节输出转角和上级关节驱动装置传递到腕部的输入转角共同确定。
4.如权利要求2所述的机器人运动补偿方法，其特征在于，所述周转轮系为嵌套式周转轮系，诱导转角由该关节输出转角、该关节驱动装置传递到腕部的输入转角、该关节上两级驱动装置传递到腕部的输入转角共同确定。
5.如权利要求1所述的机器人运动补偿方法，其特征在于，所述步骤一由机器人自带的检测和传输设备完成。
6.一种机器人，其特征在于，所述机器人采用如权利要求1-5任一项所述的机器人运动补偿方法进行补偿操作。
7.如权利要求6所述的机器人，其特征在于，所述机器人的手腕结构为三自由度偏置式手腕结构。
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