CN111890349A - 一种四自由度机械臂运动规划方法 - Google Patents

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梁常春
张沛
姜水清
张红军
王耀兵
潘冬
陈磊
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    • 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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Abstract

本发明公开了一种四自由度机械臂运动规划方法，一、根据四自由度机械臂当前末端位姿、设定的期望末端位姿、设定的运动速度和设定的加速度条件，按照加速‑匀速‑减速的速度规律，得到末端运动速度的梯形曲线，进而得到全周期内的每个控制周期的末端位姿；二、在每个控制周期内，根据机械臂当前末端位姿通过位置级逆解计算各关节对应的规划角度；三、将各关节的规划角度发送至关节电机驱动器进行伺服运动，进而完成机械臂末端期望轨迹的运动；本发明能够解决四自由度机械臂规划算法中雅克比矩阵求逆解的不确定性问题，同时加快计算效率。

Description

一种四自由度机械臂运动规划方法
技术领域
本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种四自由度机械臂运动规划方法。
背景技术
路径规划算法是机械臂控制器内的关键单元，用来实现机械臂任务执行路径的计算功能。它集成了机械臂运动学正解、运动学逆解、轨迹规划控制等内容。
四自由度机械臂是一种由四个活动关节和多个连杆串联而成的机械臂。通过不同关节的转动角度组合可以实现机械臂末端三个位置自由度的确定和一个姿态自由度的确定。通常被操作对象只对在三维空间中的位置和单个方向的姿态有需求，故四自由度机械臂是一种常用的操作机械臂。
现有的机械臂运动规划方法多是在本体坐标系的基础上基于D-H(Denavit-Hartenberg)参数而建立，D-H参数就是一个用四个参数表达两对关节连杆之间位置角度关系的机械臂数学模型和坐标系确定系统。通过各连杆间坐标系D-H参数确定机械臂关节与末端位姿间的映射关系，即雅可比矩阵。四自由度机械臂运动规划过程中已知末端位姿求解各关节变量，则需要对6×4行列式的雅可比矩阵求逆运算，其非方阵，需求伪逆，运算量巨大，对于有限的空间计算资源而言，该方法并不优化。
笛卡尔空间轨迹规划较直观且能保证轨迹精度，得到的输出为各结点手臂的位姿矩阵。对于欠自由度机械臂，在其工作空间内，只能达到全部定位和部分定向，对于轨迹规划出来的一系列中间位姿点，可能没有对应的关节变量逆解，位置全部可解，姿态部分可解，从而出现可解性问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种四自由度机械臂运动规划方法，能够解决四自由度机械臂规划算法中雅克比矩阵求逆解的不确定性问题，同时加快计算效率。
实现本发明的技术方案如下：
一种四自由度机械臂运动规划方法，包括以下步骤：
步骤一、根据四自由度机械臂当前末端位姿、设定的期望末端位姿、设定的运动速度和设定的加速度条件，按照加速-匀速-减速的速度规律，得到末端运动速度的梯形曲线，进而得到全周期内的每个控制周期的末端位姿；
步骤二、在每个控制周期内，根据机械臂当前末端位姿通过位置级逆解计算各关节对应的规划角度；
步骤三、将各关节的规划角度发送至关节电机驱动器进行伺服运动，进而完成机械臂末端期望轨迹的运动。
进一步地，步骤二中，所述位置级逆解具体为：在得到机械臂当前末端位姿数据后，对于非冗余自由度的四自由机械臂，通过机械臂根部关节角度确定整臂臂平面位置，进而在臂平面内根据连杆间几何关系确定其余三个关节角度，其有两种确定构型与之对应，即产生两组肘部关节、腕部关节I、腕部关节II对应的角度，然后选取与当前肘部关节、腕部关节I、腕部关节II角度最接近的一组角度值作为肘部关节、腕部关节I、腕部关节II的规划角度。
有益效果：
由于四自由度机械臂的特殊构型，本发明采用三维位置矢量及末端执行器与机械臂根部所在平面的夹角来表示机械臂末端执行器的位姿。机械臂运动学逆解采用位置级逆解方法，解决了雅克比矩阵求逆解的不确定性问题，将机器人学中复杂的雅克比逆解算法化解为简单的几何求解法，加快了计算效率，降低对控制器硬件的需求，有助于提高任务完成可靠性。
附图说明
图1、四自由度机械臂坐标系定义示意图。
图2、机械臂位置级逆解几何关系图。
图3、运动规划流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
四自由度机械臂的运动规划是实现机械臂在笛卡尔作业空间内移动至期望的末端位置和姿态的方法。
而运动学逆解是机械臂运动规划的基础，其目的是将工作空间内机械臂末端的位姿转化成相对应的关节变量。通过运动学逆解可以实现对机械臂末端执行器的空间位姿控制，在机械臂的运动分析、离线编程、轨迹控制中都有重要的应用。
由于四自由度机械臂的特殊构型，采用三维位置矢量及末端执行器与机械臂根部所在平面的夹角来表示机械臂末端执行器的位姿，如图1所示。机械臂运动学逆解采用位置级逆解方法。
本发明的实现步骤如下：
步骤一、根据四自由度机械臂当前末端位姿、设定的期望末端位姿、设定的运动速度和设定的加速度条件，按照加速-匀速-减速的速度规律，得到末端运动速度的梯形曲线，进而得到全周期内的每个控制周期的末端位姿；
已知机械臂末端的初始位姿PEint([Pint,Eint])和终止位姿PEdes([Pdes,Edes])，以及过程中的最大速度和加速度，则可以求出机械臂运行的总时长，按照所期望的控制周期对末端位姿进行插补，得到各控制周期对应的末端位姿坐标。然后根据单个时刻的末端位姿通过位置级逆解完成运动规划。
当前末端位姿PEPOR([PPOR,EPOR])是利用规划关节角度经过运动学正解而得出的。定义当前步数为num。
根据指令判断输入的期望的目标位姿是绝对式还是增量式，当增量式时，
PEdes＝PEint+PEinc
否则直接进行下一步。
按照末端线速度要求计算直线运动所需的总时间和加速时间：
末端位置偏差为
Figure BDA0002507422310000041
则线速度约束下直线规划加速时间
ts＝vm/av
线速度约束下直线规划总时间
tz＝dist/vm+ts
如果tz≤2ts，则
ts＝dist/vm
tz＝2ts
姿态角偏差：
Edis＝Edes-Eint
如果Edis>π，则Edis＝Edis-2π；如果Edis≤-π，则Edis＝Edis+2π。
当num＝0时，
ve＝[0 0 0]，ωe＝0
当num>0时，
末端当前位置为PEPOR的前三个数，即
Pnow＝PEPOR(1:3)
末端当前姿态为PEPOR的第四个数，即
Enow＝PEPOR(4)
步骤二、在每个控制周期内，根据机械臂当前末端位姿通过位置级逆解计算各关节对应的规划角度。
θi的初始值为遥测关节角度。
可令根部关节(关节1)旋转θ1角度到任意完成任务的相应平面内，此时机械臂为完成任务所作的运动则可以看作是平面三自由度的运动，针对肘部关节(关节2)、腕部关节I(关节3)、腕部关节II(关节4)运动的研究，可转化为平面问题。
如图2所示，将关节2、3、4所在平面设为KOZ平面，其中θ2、θ3、θ4为机械臂关节2、3、4三个关节相应的关节角，αend为末端连杆与地面的夹角。设末端位置坐标D(kend,zend)，关节4在KOZ平面内坐标C(kmid,zmid)。
(1)解θ3
由图2中关系可得C(kmid,zmid)与D(kend,zend)间关系。
在三角形ABC中，∠ABC＝π-θ3，对∠ABC运用余弦定理，则可以解得：
Figure BDA0002507422310000051
在路径规划中，可以根据上一步θ3的取值来确定当前步θ3的值，只需选取与上一步的θ3相差最小的θ3角度即可。
(2)解θ2
为了解出θ2，需得出βmid与Δβ的值。
在三角形ABC中，∠CAB＝Δβ，对∠CAB运用余弦定理，得出Δβ。
则：
θ2＝βmid±Δβ (2)
根据连杆之间位置关系，θ3<0时，θ2＝βmid+Δβ；θ3>0时，θ2＝βmid-Δβ。
(3)解θ4
对θ4，可得：
θ4＝αend-θ3-θ2 (3)
(4)解θ1
联立以上各式，得：
xcosθ1+ysinθ1＝d2-d3-d4 (4)
则可以解出θ1的值：
Figure BDA0002507422310000061
步骤三、将各关节的规划角度发送至关节电机驱动器进行伺服运动，进而完成机械臂末端期望轨迹的运动。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种四自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据四自由度机械臂当前末端位姿、设定的期望末端位姿、设定的运动速度和设定的加速度条件，按照加速-匀速-减速的速度规律，得到末端运动速度的梯形曲线，进而得到全周期内的每个控制周期的末端位姿；
步骤二、在每个控制周期内，根据机械臂当前末端位姿通过位置级逆解计算各关节对应的规划角度；
步骤三、将各关节的规划角度发送至关节电机驱动器进行伺服运动，进而完成机械臂末端期望轨迹的运动。
2.如权利要求1所述的一种四自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，步骤二中，所述位置级逆解具体为：在得到机械臂当前末端位姿数据后，对于非冗余自由度的四自由机械臂，通过机械臂根部关节角度确定整臂臂平面位置，进而在臂平面内根据连杆间几何关系确定其余三个关节角度，其有两种确定构型与之对应，即产生两组肘部关节、腕部关节I、腕部关节II对应的角度，然后选取与当前肘部关节、腕部关节I、腕部关节II角度最接近的一组角度值作为肘部关节、腕部关节I、腕部关节II的规划角度。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113146616A (zh) * 2021-02-25 2021-07-23 北京空间飞行器总体设计部 一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法
CN113276108A (zh) * 2021-04-15 2021-08-20 北京理工大学重庆创新中心 一种用于爆炸物抓取的四轴机械臂控制方法
CN113580128A (zh) * 2021-07-09 2021-11-02 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 四自由度机械臂控制方法及变电站消防机械臂控制方法
CN114800534A (zh) * 2022-06-29 2022-07-29 杭州三坛医疗科技有限公司 一种机械臂控制方法及装置
CN115837669A (zh) * 2022-10-14 2023-03-24 港珠澳大桥管理局 五自由度机械臂笛卡尔空间直线轨迹规划方法及装置
CN116494250A (zh) * 2023-06-26 2023-07-28 极限人工智能(北京)有限公司 基于速度补偿的机械臂控制方法、控制器、介质及系统

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4967126A (en) * 1990-01-30 1990-10-30 Ford Aerospace Corporation Method of controlling a seven degree of freedom manipulator arm
WO2008130050A1 (ja) * 2007-04-16 2008-10-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 経路作成方法及び経路作成装置
CN106844985A (zh) * 2017-02-06 2017-06-13 中国科学院计算技术研究所 一种高自由度机器人逆运动学的快速求解方法及系统
CN108000501A (zh) * 2017-11-22 2018-05-08 湖北工业大学 一种用于串联机器人的新型轨迹规划方法
CN108189038A (zh) * 2018-01-18 2018-06-22 广东工业大学 一种实用的工业六轴机械臂直线运动轨迹规划方法及系统
CN108621162A (zh) * 2018-05-09 2018-10-09 广西科技大学 一种机械臂运动规划方法
CN109159151A (zh) * 2018-10-23 2019-01-08 北京无线电测量研究所 一种机械臂空间轨迹跟踪动态补偿方法和系统
CN109291046A (zh) * 2017-07-25 2019-02-01 中国科学院沈阳自动化研究所 一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4967126A (en) * 1990-01-30 1990-10-30 Ford Aerospace Corporation Method of controlling a seven degree of freedom manipulator arm
WO2008130050A1 (ja) * 2007-04-16 2008-10-30 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 経路作成方法及び経路作成装置
CN106844985A (zh) * 2017-02-06 2017-06-13 中国科学院计算技术研究所 一种高自由度机器人逆运动学的快速求解方法及系统
CN109291046A (zh) * 2017-07-25 2019-02-01 中国科学院沈阳自动化研究所 一种七自由度拟人构型机械臂逆运动学规划方法
CN108000501A (zh) * 2017-11-22 2018-05-08 湖北工业大学 一种用于串联机器人的新型轨迹规划方法
CN108189038A (zh) * 2018-01-18 2018-06-22 广东工业大学 一种实用的工业六轴机械臂直线运动轨迹规划方法及系统
CN108621162A (zh) * 2018-05-09 2018-10-09 广西科技大学 一种机械臂运动规划方法
CN109159151A (zh) * 2018-10-23 2019-01-08 北京无线电测量研究所 一种机械臂空间轨迹跟踪动态补偿方法和系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘劲松等: "三自由度机械臂运动学分析与轨迹规划算法研究", 《湖北工业大学学报》 *
郝丽娜: "《工业机器人控制技术》", 30 November 2018 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113146616A (zh) * 2021-02-25 2021-07-23 北京空间飞行器总体设计部 一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法
CN113146616B (zh) * 2021-02-25 2023-08-04 北京空间飞行器总体设计部 一种四自由度机械臂视觉伺服控制方法
CN113276108A (zh) * 2021-04-15 2021-08-20 北京理工大学重庆创新中心 一种用于爆炸物抓取的四轴机械臂控制方法
CN113276108B (zh) * 2021-04-15 2022-10-18 北京理工大学重庆创新中心 一种用于爆炸物抓取的四轴机械臂控制方法
CN113580128A (zh) * 2021-07-09 2021-11-02 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 四自由度机械臂控制方法及变电站消防机械臂控制方法
CN113580128B (zh) * 2021-07-09 2022-08-16 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 四自由度机械臂控制方法及变电站消防机械臂控制方法
CN114800534A (zh) * 2022-06-29 2022-07-29 杭州三坛医疗科技有限公司 一种机械臂控制方法及装置
CN115837669A (zh) * 2022-10-14 2023-03-24 港珠澳大桥管理局 五自由度机械臂笛卡尔空间直线轨迹规划方法及装置
CN116494250A (zh) * 2023-06-26 2023-07-28 极限人工智能(北京)有限公司 基于速度补偿的机械臂控制方法、控制器、介质及系统
CN116494250B (zh) * 2023-06-26 2023-11-03 极限人工智能(北京)有限公司 基于速度补偿的机械臂控制方法、控制器、介质及系统

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