CN107650120B - 一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法 - Google Patents

一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107650120B
CN107650120B CN201610594232.3A CN201610594232A CN107650120B CN 107650120 B CN107650120 B CN 107650120B CN 201610594232 A CN201610594232 A CN 201610594232A CN 107650120 B CN107650120 B CN 107650120B
Authority
CN
China
Prior art keywords
joint
degree
freedom
mechanical arm
rotation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610594232.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107650120A (zh
Inventor
陶彦博
王学谦
鲍迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Lihe Precision Equipment Technology Co ltd
Original Assignee
Shenzhen Huaqing Precision Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Huaqing Precision Technology Co ltd filed Critical Shenzhen Huaqing Precision Technology Co ltd
Priority to CN201610594232.3A priority Critical patent/CN107650120B/zh
Publication of CN107650120A publication Critical patent/CN107650120A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107650120B publication Critical patent/CN107650120B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1602Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B25J9/1607Calculation of inertia, jacobian matrixes and inverses

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

公开了一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法,其中该9自由度机械臂由4个相同的偏心关节以及一个单独的关节构成,该方法包括:从组成所述9自由度机械臂的雅克比矩阵[J]=[$1,$2,......,$k]的9个旋量中选择6个旋量,得到基子矩阵,该基子矩阵满足不满秩;确定一个空间旋量w,使其与基子矩阵中所有的关节旋量互易;以及利用所述9自由度机械臂处于奇异构型的条件,使w与剩下的3个关节旋量也互易,即
Figure DDA0001059935680000011
由此确定所述9自由度机械臂的全部奇异构型。

Description

一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域,更具体地涉及一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法,该9自由度机械臂由4个相同的偏心关节以及一个单独的关节构成。
背景技术
实际中,当机械臂处于某一构型时,其将会失去一个或多个自由度,此时称机械臂处于奇异构型或速度退化构型。因为机械臂处于奇异构型时,机械臂的末端在某些方向的速度为零,即失去了某些方向上的运动能力,导致其灵活度降低。
当机械臂靠近其奇异位置时,机械臂末端很小的位移,却需要很大的关节速度。当这样的关节速度超过了关节的驱动能力时,会引起末端轨迹偏离期望的轨迹,甚至对机械臂产生损坏。而当期望的位姿处于奇异构型时,可能存在无数个对应的关节构型,这给任务规划带来了困难。由此可见,机械臂的奇异性对机械臂的控制影响极大。机械臂的奇异分析的目的主要是寻找机械臂出现奇异的条件,因为深入理解机械臂的奇异性,可以更好地预测在特定条件下的行为,更有针对性地进行机械臂的任务规划,从而更好地对机械臂进行控制。
机械臂的奇异分析方面的研究已经持续很长时间了。最常用的方法就是使机械臂的雅克比矩阵为0,这时机械臂处于奇异构型。但是这种方法仅限于非冗余机械臂,而对于冗余机械臂,由于雅克比矩阵不是方阵,则意味着如果机械臂处于奇异构型,则其雅克比矩阵不是行满秩。
从而,需要找到一种新的方法,其能用于确定其雅克比矩阵并非行满 秩的冗余机械臂的全部奇异构型。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的一个主要方面提供一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法,其中该9自由度机械臂由4个相同的偏心关节以及一个单独的关节构成,该方法包括:从组成该9自由度机械臂的雅克比矩阵[J]=[$1,$2,......,$k]的9个旋量中选择6个旋量,得到基子矩阵[$bsub],该基子矩阵[$bsub]满足不满秩,即|[$bsub]|=0,此处k=9,$i表示第i个关节旋量;确定一个空间旋量w,使其与基子矩阵中所有的关节旋量互易,即该空间旋量w满足
Figure BDA0001059935660000021
其中$i为该基子矩阵[$bsub]中的旋量;以及利用该9自由度机械臂处于奇异构型的条件,使w与剩下的3个关节旋量也互易,即
Figure BDA0001059935660000022
由此确定该9自由度机械臂的全部奇异构型,所述旋量可以表示为
Figure BDA0001059935660000023
此处s和s0表示单位螺旋,h表示螺旋的节距,且该9自由度机械臂的转动关节可以表示为一个0节距的螺旋,即$rjoint=[s s0]T,而其移动关节可以表示为一个节距无穷大的一个旋量,即$pjoint=[03×1s0]T
本发明的技术方案克服了现有技术不能确定冗余机械臂的奇异构型的缺点,同时,它还具有分析计算方便可靠性较高等特点。
附图说明
图1为示出应用本发明的方法的9自由度机械臂的简图;
图2为示意性地示出本发明的方法的各主要步骤的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。需要指出的是,这些说明只是示例性的,并不对本发明构成限制。
本公开将详细阐述一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法。如图1所示,这一9自由度机械臂由4个偏心关节组成,为了增加机械臂的灵活性,在其末端又加上了一个转动轴,这使得这一9自由度机械臂具有一定的可重构功能。另外,具体地,每一个偏心关节具有两个相互垂直的自由度,从而使得该9自由度机械臂具有更高的灵活度。
本公开将采用基于旋量的方法来对机械臂进行奇异分析。旋量可以表示为如下形式
Figure BDA0001059935660000031
其中s和s0是单位螺旋,h是螺旋的节距。机械臂的转动关节可以表示为一个0节距的螺旋,即$rjoint=[s s0]T,移动关节可以表示为一个节距无穷大的一个旋量,即$pjoint=[03×1 s0]T。本公开中的9自由度机械臂中的偏心关节全是转动关节,因此本公开中的关节旋量全是0节距旋量。
机械臂的雅克比矩阵可以表示成旋量形式,即[J]=[$1,$2,......,$k],其中k表示机械臂具有k个自由度,在本公开中k=9,$i表示第i个关节旋量。当机械臂处于奇异构型时这个6×9矩阵将不是行满秩。
在本发明中,将应用旋量互易法来确定该9自由度机械臂的奇异构型。如图2所示:首先,在步骤ST1中,需要在9个旋量中找出6个旋量作为基旋量,其组成的旋量矩阵成为基子矩阵,即[$bsub]。对9自由度机械臂进行奇异分析,令该基子矩阵的行列式为0,即找出基子矩阵不满秩的情况。
|[$bsub]|=0 (2)
式中$bsub为去掉k-6个自由度的基子矩阵。因为该9自由度机械臂如果处于奇异构型,则任意6个关节旋量组成的基子矩阵的行列式必为0。
其次,因为基子矩阵$bsub不满秩,所以必然存在一个空间旋量w与基子矩阵中所有的关节旋量互易,即在步骤ST2中,确定这个空间旋量w,使得
Figure BDA0001059935660000032
其中$i为基子矩阵中的旋量。
第三,由于机械臂处于奇异构型,则在步骤ST3中,使w与剩下的k-6个关节旋量也互易,即
Figure BDA0001059935660000041
则经过这三步则可找到机械臂所有的奇异构型。更具体地,应当懂得,由上述三个步骤中的公式确定的方程组对应无数个解,而只要机械臂关节的角度满足该方程组,机械臂即处于奇异构型,因而,由上述三个步骤中的公式确定的方程组即以定量的方式确定了机械臂的奇异构型。
以下,将结合图1详细说明根据本发明的用于确定前述9自由度机械臂的全部奇异构型的方法。
可以看出这一机械臂全是由转动关节组成,每一个相邻的关节互相垂直,可以列出机械臂的D-H参数如表1。
Figure BDA0001059935660000042
表1 9自由度机械臂D-H参数
为了计算简单,选择图1中Z5和X5所在的第5个关节坐标系作为参考坐标系,根据以上的D-H参数表,导出每一个关节所对应的变换矩阵,再 代入上述旋量的基础公式即式(1),可得到其余各个关节的运动旋量的坐标如下:
Figure BDA0001059935660000051
其中si=sin(θi),ci=cos(θi),sij=sin(θij),cij=cos(θij)。
为了计算方便,选择$3到$8作为基子矩阵,则可得基子矩阵为:
Figure BDA0001059935660000052
可以求出基子矩阵的行列式为:
|$sub|=L2L3[(L3c7+Sc67+S)s45s5c6-(L2c4+Sc45+S)c5s6s67] (6)
由|[$sub]|=0可以得到15种情况。
1.L3c7+Sc67+S=0,L2c4+Sc45+S=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000061
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w1=[c5c6 -s5c6 c5s6 0 -Sc5s6 0]T (8)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000062
2.L3c7+Sc67+S=0,c5=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000063
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w2=[0 1 0 0 0 0]T (11)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000064
3.L3c7+Sc67+S=0,s6=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000071
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w3=[c5 -s5 0 0 0 0]T (14)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000072
4.L3c7+Sc67+S=0,s67=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000073
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
Figure BDA0001059935660000074
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000081
5.s45=0,L2c4+Sc45+S=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000082
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
Figure BDA0001059935660000083
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000084
6.s45=0,c5=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000091
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w6=[0 -s67 0 L3c7+Sc67+S 0 0]T (23)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000092
7.s45=0,s6=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000093
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
Figure BDA0001059935660000094
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000101
8.s45=0,s67=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000102
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w8=[0 0 0 1 0 0]T (29)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000103
9.s5=0,L2c4+Sc45+S=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000104
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w9=[c6 0 s6 0 -Ss6 0]T (32)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000111
10.s5=0,s6=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000112
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w10=[1 0 0 0 0 0]T (35)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000113
11.s5=0,s67=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000114
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
Figure BDA0001059935660000121
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000122
12.c6=0,L2c4+Sc45+S=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000123
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w12=[0 0 1 0 -S 0]T (41)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000124
13.c6=0,c5=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000131
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
Figure BDA0001059935660000132
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000133
14.c6=0,s67=0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000134
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
w14=[0 0 s45 L2c4+Sc45+S -Ss45 0]T (47)
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000141
15.(L3c7+Sc67+S)s45s5c6-(L2c4+Sc45+S)c5s6s67=0,(L3c7+Sc67+S)s45s5c6≠0,(L2c4+Sc45+S)c5s6s67≠0
这种情况下,基子矩阵变为
Figure BDA0001059935660000142
由此可得与基子矩阵中所有旋量都互易的旋量w为
Figure BDA0001059935660000143
如果机械臂处于奇异构型,则w与另外的三个旋量互易,则可得:
Figure BDA0001059935660000144
至此,已经将9自由度机械臂的所有缺失一个自由度的奇异情况都列出来了。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,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,还可以对以上叙述的实施方式做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为落在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围由所附的权利要求加以限定。

Claims (1)

1.一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法,其中所述9自由度机械臂由4个相同的偏心关节以及一个单独的关节构成,所述方法包括:
从组成所述9自由度机械臂的雅克比矩阵
Figure 496533DEST_PATH_IMAGE001
的9个 关节旋量中选择6个关节旋量,得到基子矩阵
Figure 413673DEST_PATH_IMAGE002
,该基子矩阵
Figure 131093DEST_PATH_IMAGE002
满足不满秩, 即
Figure 526303DEST_PATH_IMAGE003
,此处k=9,
Figure 776893DEST_PATH_IMAGE004
表示第i个关节旋量;
确定一个空间旋量w,使其与基子矩阵中所有的关节旋量互易,即所述空间旋量w满足
Figure 599356DEST_PATH_IMAGE005
,其中
Figure 804072DEST_PATH_IMAGE004
为所述基子矩阵
Figure 2972DEST_PATH_IMAGE002
中的关节旋量;以及
利用所述9自由度机械臂处于奇异构型的条件,使w与剩下的3个关节旋量也互易,由此确定所述9自由度机械臂的全部奇异构型,
所述关节旋量可以表示为
Figure 609534DEST_PATH_IMAGE007
,此处s和
Figure 602898DEST_PATH_IMAGE008
表示单位螺旋,h表示 螺旋的节距,且所述9自由度机械臂的转动关节可以表示为一个0节距的螺旋,即
Figure 294910DEST_PATH_IMAGE010
,而其移动关节可以表示为一个节距无穷大的一个螺旋,即
Figure 468140DEST_PATH_IMAGE011
选择所述9自由度机械臂的第5个关节坐标系作为参考坐标系,得到各个关节的关节旋量的坐标如下:
Figure 991526DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 359053DEST_PATH_IMAGE014
CN201610594232.3A 2016-07-26 2016-07-26 一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法 Active CN107650120B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610594232.3A CN107650120B (zh) 2016-07-26 2016-07-26 一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610594232.3A CN107650120B (zh) 2016-07-26 2016-07-26 一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107650120A CN107650120A (zh) 2018-02-02
CN107650120B true CN107650120B (zh) 2022-04-19

Family

ID=61126491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610594232.3A Active CN107650120B (zh) 2016-07-26 2016-07-26 一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107650120B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111687834B (zh) * 2020-04-30 2023-06-02 广西科技大学 移动机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制系统及控制方法
CN111687833B (zh) * 2020-04-30 2023-06-02 广西科技大学 机械手逆优先级阻抗控制系统及控制方法
CN111687835B (zh) * 2020-04-30 2023-06-02 广西科技大学 水下机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制系统及控制方法
CN111687832B (zh) * 2020-04-30 2023-06-02 广西科技大学 空间机械手冗余机械臂逆优先级阻抗控制系统及控制方法
CN112589797B (zh) * 2020-12-11 2022-04-15 中国科学院合肥物质科学研究院 一种非球形手腕机械臂奇异点规避方法和系统
CN112936272B (zh) * 2021-02-04 2024-03-15 清华大学深圳国际研究生院 一种机械臂的奇异构型的判断方法和求解方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01316187A (ja) * 1988-04-20 1989-12-21 Univ British Colombia:The 関節式アームの移動制御方法
CN104385283A (zh) * 2014-07-03 2015-03-04 哈尔滨工程大学 一种六自由度机械臂奇异位形的快速判断方法
CN104608117A (zh) * 2014-12-31 2015-05-13 上海交通大学 具有三种自由度模式的变自由度机构
CN104626201A (zh) * 2014-12-24 2015-05-20 北京航天测控技术有限公司 构态可变机构及其特性分析的旋量邻接矩阵方法
CN105082134A (zh) * 2015-08-06 2015-11-25 珞石(北京)科技有限公司 一种基于多判据的六自由度串联机器人奇异性处理方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01316187A (ja) * 1988-04-20 1989-12-21 Univ British Colombia:The 関節式アームの移動制御方法
CN104385283A (zh) * 2014-07-03 2015-03-04 哈尔滨工程大学 一种六自由度机械臂奇异位形的快速判断方法
CN104626201A (zh) * 2014-12-24 2015-05-20 北京航天测控技术有限公司 构态可变机构及其特性分析的旋量邻接矩阵方法
CN104608117A (zh) * 2014-12-31 2015-05-13 上海交通大学 具有三种自由度模式的变自由度机构
CN105082134A (zh) * 2015-08-06 2015-11-25 珞石(北京)科技有限公司 一种基于多判据的六自由度串联机器人奇异性处理方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于旋量理论的四自由度抓取机械手奇异位形分析;刘青松等;《河北工业大学学报》;20160229;第45卷(第1期);第51-55页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107650120A (zh) 2018-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107650120B (zh) 一种用于确定9自由度机械臂的全部奇异构型的方法
US9827675B2 (en) Collision avoidance method, control device, and program
CN104866722B (zh) 一种七轴工业机械臂的逆运动学求解方法
US20180085923A1 (en) Robot control device, robot, and robot system
JP5580850B2 (ja) シリアルロボットのための迅速な把持接触計算
CN109291046A (zh) 一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法
CN106844951B (zh) 基于分段几何法求解超冗余机器人逆运动学的方法及系统
CN107038275B (zh) 一种机械臂误差分析方法
US9283676B2 (en) Real-time robotic grasp planning
CN105573143B (zh) 用于六自由度的工业机器人的逆运动学求解方法
JP2010149275A (ja) 多優先作動空間インピーダンス制御
US20220105627A1 (en) Singularity-free kinematic parameterization of soft robot manipulators
US20180085920A1 (en) Robot control device, robot, and robot system
CN109159122B (zh) 采用椭圆型终态神经网络的冗余机器人重复运动规划方法
Lambert et al. A novel parallel haptic device with 7 degrees of freedom
CN109311155B (zh) 一种工业机器人的工具坐标系原点的标定方法及装置
US9868205B2 (en) Compact parallel kinematics robot
JP2017052016A (ja) ロボット、制御装置およびロボットシステム
WO2020010628A1 (zh) 变位机轴坐标系标定方法、机器人系统及存储装置
Filaretov et al. Development of control systems for implementation of manipulative operations in hovering mode of underwater vehicle
CN109129469A (zh) 机械臂运动学逆解方法、装置及机械臂
Murakami et al. Motion planning for catching a light-weight ball with high-speed visual feedback
JP2017131990A (ja) 干渉回避方法
Chaparro-Altamirano et al. Kinematic and workspace analysis of a parallel robot used in security applications
Aboulissane et al. 3-UPU robotic mechanism performance evaluation through kinematic indexes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20220525

Address after: 518000 1st floor, building a, No.8 Huanzhen Road, Digang community, Shajing street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province

Patentee after: SHENZHEN LIHE PRECISION EQUIPMENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 518000 1501, floor 15, block C, building 9, Baoneng Technology Park, Qinghu Industrial Park, Qingxiang Road, Longhua new area, Shenzhen, Guangdong

Patentee before: SHENZHEN HUAQING PRECISION TECHNOLOGY Co.,Ltd.