CN108068108B - 平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法 - Google Patents
平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，包括以下步骤：采用坐标转换的方法得到机器人坐标系坐标与各关节位置的关系；根据各关节的位置控制各关节的驱动器，实现机器人的运动控制。本发明没有多个逆解问题。平面内摆动伸缩型机器人逆向转换时只需要使用当前直角坐标系坐标值进行判断来选取极角，再给出逆解即可，不存在多个逆解问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，属于关节机器人技术领域。
背景技术
关节机器人使用关节控制实现不同形式的运动。关节机器人的运动有关节坐标系的关节移动与直角坐标系等其它坐标系中的直线和圆弧移动。对于关节坐标系的关节移动，控制器只控制单个关节转动，无需转换关系。对于直角坐标系等其它坐标系中的直线和圆弧移动，运动轨迹需要多个关节按照一定的关系共同移动配合实现，需要转换关系。
以直角坐标系为例，用户编程在直角坐标系下进行，根据3维直角坐标系中的运动轨迹对应的坐标点进行编程，而编程时采用示教编程选取的示教点却是关节坐标系下的，将关节坐标系坐标值转换为直角坐标系坐标值称为正向运动学转换。直角坐标系下的编程轨迹的运动最终需要各关节运动来完成，将直角坐标系下坐标值转换为关节坐标系坐标值称为逆向运动学转换。
不同形式的机器人具有不同的转换关系，需要根据机器人形式以及机械结构参数具体分析，建立适用于不同机器人结构的转换关系。
机器人运动学传统的描述方法是基于D-H方法，在D-H方法中先建立各关节之间的齐次转换矩阵，正向运动学转换与逆向运动学转换使用矩阵相乘方式计算，计算量较大，而且逆向运动学转换时有多个逆解存在，需要使用相应的准则进行选取。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，以给出一种平面内摆动伸缩型机器人关节坐标值与机器人坐标值相互转换的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，包括以下步骤：
采用坐标转换的方法得到机器人坐标系坐标与各关节位置的关系；
根据各关节的位置控制各关节的驱动器，实现机器人的运动控制。
所述采用坐标转换的方法得到机器人坐标系坐标与各关节位置的关系包括以下步骤：
建立机器人坐标系；
确定动作类型标志；
根据动作类型标志建立正向与逆向转换关系。
所述建立机器人坐标系具体为：
机器人坐标系中有5个坐标轴X、Y、Z、A、B：
X轴为水平轴，以左侧回零位置为零点，向右为正方向；
Z轴为竖直轴，向上为正方向，且与X轴、Y轴相交，与Y轴的交点为Z轴的零点；
Y轴为水平轴，位于X轴下方，向左为正方向，与Z轴交点为零点；
A轴为旋转轴，与YZ平面垂直，轴心通过Y轴的零点；
B轴为旋转轴且与A轴平行，位于Y轴正方向和Z轴负方向。
两个旋转轴水平时为0度，逆时针旋转为正。
所述确定动作类型标志具体为：
沿Y轴、Z轴、X轴中至少一个轴移动，动作类型标志为0；
旋转轴A转动，动作类型标志为1；
旋转轴B转动，动作类型标志为2。
根据动作类型标志建立正向转换关系，即根据各关节位置得到机器人坐标系坐标，包括：
1)动作类型为0：
ρ＝L+JP[2]
θ＝JP[3]*π/180
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝ρ*cosθ
WP.Z＝-ρ*sinθ
WP.A＝JP[3]+JP[4]
WP.B＝0
2)动作类型为1：
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝0
WP.Z＝JP[2]
WP.A＝JP[3]
WP.B＝JP[3]+JP[4]
3)动作类型为2为：
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝0
WP.Z＝JP[2]
WP.A＝JP[3]+JP[4]
WP.B＝JP[3]
其中，WP.X，WP.Y，WP.Z，WP.A，WP.B分别表示机器人坐标系在X、Y、Z、A、B轴的坐标；JP[axis]表示各关节位置，axis＝0,1,2,3,4；axis＝0,2,3,4分别表示X轴、A轴与B轴之间的伸缩轴、旋转轴A、旋转轴B，axis＝1不表示任何关节，赋值为0；
L表示伸缩轴原始长度；其中ρ为极径，即旋转轴A与旋转轴B在YZ平面内的轴心距离，θ为极角，即旋转轴A当前的旋转角度对应的弧度。
根据动作类型标志建立逆向转换关系，即根据机器人坐标系坐标得到各关节位置，包括：
1)动作类型为0：
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝ρ-L
JP[3]＝θ
JP[4]＝-θ+WP.A
2)动作类型为1:
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝WP.Z
JP[3]＝WP.A
JP[4]＝-WP.A+WP.B
3)动作类型为2:
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝WP.Z
JP[3]＝WP.A-WP.B
JP[4]＝WP.B
其中，L表示伸缩轴原始长度；ρ为极径，即旋转轴A与旋转轴B在YZ平面内的轴心距离，θ为极角，即旋转轴A当前的旋转角度对应的弧度。
所述根据动作类型标志建立不同的逆向转换关系之前确定极径ρ:
所述根据动作类型标志建立不同的逆向转换关系之前确定极角θ，具体如下:
当WP.Y为0时判断WP.Z的数值确定θ数值：
41)若WP.Z大于0，θ＝-90；
42)若WP.Z小于0，θ＝90；
43)若WP.Z等于0，θ＝0；
当WP.Y不为0时判断WP.Y与WP.Z的数值确定θ数值：
44)若WP.Z大于0无论WP.Y为正或为负，θ＝a tan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y))/π*180；
45)若WP.Z小于等于0，WP.Y小于0，θ＝(π-a tan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y)))/π*180
46)若WP.Z小于等于0，WP.Y大于0，θ＝a tan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y))/π*180；
atan表示反正切函数，fabs表示求绝对值函数。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.转换关系计算方法简单。平面内摆动伸缩型机器人运动转换关系建立不需D-H算法，只需要确定动作类型标志，再根据机器人初始结构参数直接使用三角函数关系计算得到，计算量小，计算方法简单。
2.没有多个逆解问题。平面内摆动伸缩型机器人逆向转换时只需要使用当前直角坐标系坐标值进行判断来选取极角θ，再给出逆解即可，不存在多个逆解问题。
附图说明
图1是摆动机器人的基本机械结构示意图；
图2是摆动机器人的各关节与直角坐标系移动方式说明示意图；
图3a是摆动机器人的动作说明示意图一；
图3b是摆动机器人的动作说明示意图二；
图3c是摆动机器人的动作说明示意图三；
图3d是摆动机器人的动作说明示意图四；
图3e是摆动机器人的动作说明示意图五；
图3f是摆动机器人的动作说明示意图六；
图3g是摆动机器人的动作说明示意图七；
图3h是摆动机器人的动作说明示意图八；
图3i是摆动机器人的动作说明示意图九；
图3j是摆动机器人的动作说明示意图十；
图3k是摆动机器人的动作说明示意图十一；
图4是机器人坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明的提供一种平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，其技术方案如下：首先建立机器人坐标系。机器人坐标系中有5个坐标XYZAB，其中根据机器人结构形式建立YZ坐标组成的直角坐标系，XAB坐标使用与关节坐标系相同坐标。其次确定动作类型标志。根据机器人运动形式，确定动作类型标志。其中机器人坐标系的Y轴或Z轴移动，以及Y轴或Z轴与X轴同时移动，动作类型标志为0；机器人坐标系的旋转轴A的转动，动作类型标志为1；机器人坐标系的旋转轴B的转动，动作类型标志为2。最后根据动作类型标志建立不同的正向与逆向转换关系。其中动作类型标志为0时，建立正向与逆向转换关系需要先计算极径ρ与极角θ。在机器人坐标系下X轴的移动是横梁上的移动；Y轴的移动是末端位置的移动。
如图1所示，本发明的摆动伸缩型机器人结构如下：
机器人有一个固定的横梁。机器人各轴通过驱动器驱动电机控制轴移动。X轴安装在横梁上，可在横梁上左右移动。连杆的一端与X轴相连，另一端通过旋转轴R1与套管铰接；伸缩轴的一端插入套管中，另一端通过旋转轴R2与基础(机械手或夹具)转动连接。套管可在平面内绕旋转轴R1转动，旋转轴R2可以在平面内以伸缩轴末端位置为旋转中心做顺时针或逆时针转动；在转动的过程中，伸缩轴相对于套管移动，实现伸缩。旋转轴R1与伸缩轴的轴心相交。
机器人坐标系坐标根据下列方法可以得到X轴、伸缩轴、旋转轴R1、旋转轴R2的关节位置，由各关节的位置控制各关节的驱动器，实现机器人的运动控制；驱动X轴、伸缩轴、旋转轴R1、旋转轴R2的关节根据下列方法即可求出机器人坐标系坐标，即机器人坐标系在X、Y、Z、A、B轴的坐标。
本发明方法包括以下步骤：
1.建立机器人坐标系。如图4所示，机器人坐标系中有5个坐标XYZAB，其中根据机器人结构形式建立YZ坐标组成的直角坐标系，XAB坐标使用与关节坐标系坐标相同坐标。YZ以旋转轴A的旋转中心为零点，Y轴向左为正方向，Z轴向上为正方向；X轴以左侧回零位置为零点，向右为正方向；旋转轴坐标使用各关节坐标值，两个旋转轴水平时为0度，逆时针旋转为正。在图2中给出的是机器人坐标系中各坐标轴移动的正方向与伸缩轴关节移动的正方向。机器人坐标系的Y轴与Z轴移动指的是末端位置，即旋转轴B的旋转中心的移动，图2中所示的Y轴与Z轴的移动方向在旋转轴B的旋转中心交叉，表示末端位置的移动方向，其交叉点不是Y轴与Z轴的零点。
2.确定动作类型标志。根据机器人运动形式，确定动作类型标志。其中机器人坐标系的Y轴或Z轴移动，以及Y轴或Z轴与X轴同时移动，动作类型标志为0，如图2所示的机器人坐标系的手动Y轴或Z轴移动与图3a～图3k中-2，3，4，6，7，8，9，11所示的动作；机器人坐标系的旋转轴A的转动，动作类型标志为1，如图2所示的机器人坐标系的手动A轴旋转与图3a～图3k中5与10所示的自动指令执行水平行走同时A轴旋转动作；机器人坐标系的旋转轴B的转动，动作类型标志为2，，如图2所示的机器人坐标系下手动B轴旋转动作。图3a～图3k中所示的动作中旋转轴B的旋转中心为末端控制点，用于抓取工件的机械手安装在旋转轴B上，在2、3、5、7、8、10所示动作中旋转轴B需要跟随A进行转动，以保证机械手保持水平姿态。
3.根据动作类型标志建立不同的正向与逆向转换关系。
首先给出关节坐标系与直角坐标系坐标值的表示方法以及伸缩轴原始长度的变量表示。关节坐标系坐标值使用JP[axis]，axis＝0,1,2,3,4表示，如图2所示，axis＝0,2,3,4分别表示X轴、伸缩轴、旋转轴R1、旋转轴R2，axis＝1不表示任何关节，赋值为固定值0，只是数组中的数据。机器人坐标系坐标值使用WP.X，WP.Y，WP.Z，WP.A，WP.B表示，如图4所示。伸缩轴原始长度，即伸缩轴坐标为0时的长度，使用L表示。
正向转换关系的建立具体过程如下：
1)动作类型为0的正向转换关系建立方法为：
ρ＝L+JP[2]
θ＝JP[3]*π/180
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝ρ*cosθ
WP.Z＝-ρ*sinθ
WP.A＝JP[3]+JP[4]
WP.B＝0
其中L表示伸缩轴原始长度，即伸缩轴坐标为0时的长度。其中ρ为极径，其数值为图1中旋转轴R1与旋转轴R2旋转中心之间的距离，θ为极角，其数值为旋转轴R1当前的旋转角度对应的弧度。
2)动作类型为1的正向转换关系为：
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝0
WP.Z＝JP[2]
WP.A＝JP[3]
WP.B＝JP[3]+JP[4]
3)动作类型为2的正向转换关系为：
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝0
WP.Z＝JP[2]
WP.A＝JP[3]+JP[4]
WP.B＝JP[3]
4)动作类型为0的逆向转换关系建立方法为：
首先需要确定极径ρ与极角θ，其中ρ为图1中旋转轴R1与旋转轴R2旋转中心之间的距离，θ为旋转轴R1当前的旋转角度对应的弧度。
其中θ的确定需要使用当前直角坐标系坐标值进行判断来选取，具体方法如下:
当WP.Y为0时判断WP.Z的数值确定θ数值，
41)若WP.Z大于0，θ＝-90
42)若WP.Z小于0，θ＝90
43)若WP.Z等于0，θ＝0
当WP.Y不为0时判断WP.Y与WP.Z的数值确定θ数值
44)若WP.Z大于0无论WP.Y为正或为负，θ＝a tan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y))/π*180
45)若WP.Z小于等于0，WP.Y小于0，θ＝(π-a tan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y)))/π*180
46)若WP.Z小于等于0，WP.Y大于0，θ＝a tan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y))/π*180
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝ρ-L
JP[3]＝θ
JP[4]＝-θ+WP.A
5)动作类型为1的逆向转换关系为:
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝WP.Z
JP[3]＝WP.A
JP[4]＝-WP.A+WP.B
6)动作类型为2的逆向转换关系为:
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝WP.Z
JP[3]＝WP.A-WP.B
JP[4]＝WP.B 。
Claims (5)
1.平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，其特征在于包括以下步骤：
采用坐标转换的方法得到机器人坐标系坐标与各关节位置的关系；
所述采用坐标转换的方法得到机器人坐标系坐标与各关节位置的关系包括以下步骤：
建立机器人坐标系；
确定动作类型标志；
根据动作类型标志建立正向与逆向转换关系；
所述建立机器人坐标系具体为：
机器人坐标系中有5个坐标轴X、Y、Z、A、B：
X轴为水平轴，以左侧回零位置为零点，向右为正方向；
Z轴为竖直轴，向上为正方向，且与X轴、Y轴相交，与Y轴的交点为Z轴的零点；
Y轴为水平轴，位于X轴下方，向左为正方向，与Z轴交点为零点；
A轴为旋转轴，与YZ平面垂直，轴心通过Y轴的零点；
B轴为旋转轴且与A轴平行，位于Y轴正方向和Z轴负方向；
两个旋转轴水平时为0度，逆时针旋转为正；
所述确定动作类型标志具体为：
沿Y轴、Z轴、X轴中至少一个轴移动，动作类型标志为0；
旋转轴A转动，动作类型标志为1；
旋转轴B转动，动作类型标志为2；
根据各关节的位置控制各关节的驱动器，实现机器人的运动控制。
2.根据权利要求1所述的平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，其特征在于根据动作类型标志建立正向转换关系，即根据各关节位置得到机器人坐标系坐标，包括：
1)动作类型为0：
ρ＝L+JP[2]
θ＝JP[3]*π/180
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝ρ*cosθ
WP.Z＝-ρ*sinθ
WP.A＝JP[3]+JP[4]
WP.B＝0
2)动作类型为1：
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝0
WP.Z＝JP[2]
WP.A＝JP[3]
WP.B＝JP[3]+JP[4]
3)动作类型为2为：
WP.X＝JP[0]
WP.Y＝0
WP.Z＝JP[2]
WP.A＝JP[3]+JP[4]
WP.B＝JP[3]
其中，WP.X，WP.Y，WP.Z，WP.A，WP.B分别表示机器人坐标系在X、Y、Z、A、B轴的坐标；JP[axis]表示各关节位置，axis＝0,1,2,3,4；axis＝0,2,3,4分别表示X轴、A轴与B轴之间的伸缩轴、旋转轴A、旋转轴B，axis＝1不表示任何关节，赋值为0；
L表示伸缩轴原始长度；其中ρ为极径，即旋转轴A与旋转轴B在YZ平面内的轴心距离，θ为极角，即旋转轴A当前的旋转角度对应的弧度。
3.根据权利要求1所述的平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，其特征在于根据动作类型标志建立逆向转换关系，即根据机器人坐标系坐标得到各关节位置，包括：
1)动作类型为0：
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝ρ-L
JP[3]＝θ
JP[4]＝-θ+WP.A
2)动作类型为1:
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝WP.Z
JP[3]＝WP.A
JP[4]＝-WP.A+WP.B
3)动作类型为2:
JP[0]＝WP.X
JP[1]＝0
JP[2]＝WP.Z
JP[3]＝WP.A-WP.B
JP[4]＝WP.B
其中，L表示伸缩轴原始长度；ρ为极径，即旋转轴A与旋转轴B在YZ平面内的轴心距离，θ为极角，即旋转轴A当前的旋转角度对应的弧度。
4.根据权利要求3所述的平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，其特征在于所述根据动作类型标志建立不同的逆向转换关系之前确定极径ρ:
5.根据权利要求3所述的平面内摆动伸缩型机器人运动控制方法，其特征在于所述根据动作类型标志建立不同的逆向转换关系之前确定极角θ，具体如下:
当WP.Y为0时判断WP.Z的数值确定θ数值：
41)若WP.Z大于0，θ＝-90；
42)若WP.Z小于0，θ＝90；
43)若WP.Z等于0，θ＝0；
当WP.Y不为0时判断WP.Y与WP.Z的数值确定θ数值：
44)若WP.Z大于0无论WP.Y为正或为负，
θ＝atan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y))/π*180；
45)若WP.Z小于等于0，WP.Y小于0，θ＝(π-atan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y)))/π*180
46)若WP.Z小于等于0，WP.Y大于0，θ＝atan(fabs(WP.Z)/fabs(WP.Y))/π*180；
atan表示反正切函数，fabs表示求绝对值函数。
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