CN114770506B - 带电作业八自由度机械臂运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带电作业八自由度机械臂运动控制方法，主要解决8自由度机械臂在带电作业情况下的6自由度手臂运动学解算及二自由度绝缘杆控制问题，通过对8自由度手臂进行拆分，将2自由度绝缘杆与6自由度手臂分开控制，可避免多自由度机械采用数值解的不稳定性及求解效率低下问题，提升了机械臂控制精度与求解速率。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂控制技术领域，具体是一种带电作业八自由度机械臂运动控制方法。
背景技术
带电作业机器人是一种在高空中代替人工完成高压线缆搭接和拆卸等一系列高危作业的特种机器人，和传统的人工作业相比，大大提高了作业安全和效率。
多自由度冗余机械臂是一种较传统6自由度机械臂灵活性及关节受力情况大大改善的构型机械臂，而8自由度带电作业机械臂主要有6自由度机械臂及2自由度绝缘杆串联而成，大大增加了作业灵活性，但冗余机械臂的逆解问题造成工程应用困难，现有的机械臂逆运动学方法主要有：
基于几何法的解析解，直接利用几何关系和三角定理进行建模求解，该方法主要针对特定简单构型的机械臂，对于多自由度机械臂运动学计算异常复杂；
基于代数法的解析解，通过对特定构型机械臂建立逆运动学解析表达式，该方法逆解耗时短，解有限组；但该方法需要机械臂构型满足存在相邻的三轴相交于同一点或存在相邻的三个关节轴相互平行这两个条件之一，通用性较差；
基于迭代法的数值解，常用于冗余自由度机械臂，该方法主要采用雅克比转置或雅克比伪逆等方式，通过不断迭代使得关节值逐渐收敛到目标位置，但该方法常面对矩阵奇异性无法求解，逆解速度较慢及迭代逆解结果只有一组等问题；
基于优化算法的数值解，用于冗余机械臂逆运动学解算，通过优化算法(如SD,NR,VM遗传算法，神经网络等)实现特定约束条件下的逆运动学解算，这种方法可对冗余多自由度机械臂进行逆运动学解算，但该方法求解效率低下，鲁棒性差.
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种带电作业八自由度机械臂运动控制方法，对8自由度手臂进行拆分，将2自由度绝缘杆与6自由度手臂分开控制，可避免多自由度机械采用数值解的不稳定性及求解效率低下问题，提升了机械臂控制精度与求解速率。
一种带电作业八自由度机械臂运动控制方法，针对由六自由度UR构型手臂及二自由度绝缘杆串联构成的八自由度带电作业机械臂，其特征在于包括以下步骤：
1)设六自由度UR构型手臂的运动轴线为前六轴，二自由度绝缘杆的运动轴线为第七轴和第八轴；
2)对二自由度绝缘杆进行机构分析，根据实际运动现象及机械参数建立数学模型建立两升降杆位移与绝缘杆俯仰角及横滚角关系；
3)对前六轴采用标准DH法建立运动学模型；
4)对二自由度绝缘杆采用绕自身旋转轴旋转的欧拉角建模方法进行建模；
5)根据期望位姿设定第七轴和第八轴关节角，明析在开启力控及进行笛卡尔控制直线运动时，末端二自由度绝缘杆不参与运动，在特殊作业场景进行轨迹规划时，指定第七轴、第八轴关节角，进而将八自由度机械臂降维为六自由度机械臂,根据步骤3)中采用标准DH法建立的运动学模型和步骤4)中二自由度绝缘杆采用绕自身旋转轴旋转的建模，得到正运动学关系后结合期望矩阵推导出六轴手臂解析解，从而将八自由度解析法逆解有无数组的情况转化为六自由度构型机械臂具有八组明确解析解的情况，再将目标位姿逆解结果通过RRT规划算法进行避障处理，得到关节角路点信息，将路点信息发送给控制器对八自由度手臂实现完整控制。
步骤2)过程具体如下：
按照将二自由度绝缘杆实际运动，抽象出两升降杆铰接中点C控制俯仰角，两升降杆铰接点高度差控制横滚角，其中在二自由度绝缘杆俯仰通道上建立四连杆模型ABCD，其中A点为俯仰角轴线与横滚角轴线交点且为固定铰接点，连杆AB与绝缘杆轴线平行，两升降杆铰接点中点为C，BC一直垂直与AB，D为变铰接点，其中连杆AB杆长随C的高度而变化，连杆BC、CD,AD杆长不变,最终得到俯仰角θ7与各杆长关系：
其中设末端工具在俯仰上水平时，右杆相对Z向位移为x1,向上为正；左杆相对于Z方向上的位x2；,在横滚通道上建立两三角形AEE′与AFF′，EF为定值，两升降杆差动得到横滚角θ8：
用多项式拟合两升降杆位移与俯仰角关系。
步骤3)过程具体如下：
对前六轴采用标准DH法建立运动学模型，设前六轴的坐标系分别为坐标系1至6，参考坐标系固联在机械臂底座位置为坐标系0，Z0轴垂直向上，X0垂直于Z0轴，并沿水平方向，Y0轴方向根据右手螺旋定则进行确定，坐标系1-5分别建立在每个旋转关节上，Zi轴指向末端关节；设代表坐标系6相对于坐标系0的姿态，/>为坐标系6相对于坐标系0的位置，进而得到坐标系0到坐标系6的D-H变换矩阵
步骤4)过程具体如下：
设第七轴关节绕自身X轴旋转，第八轴关节绕自身Y轴旋转，第八轴坐标系为坐标系8，则得到
，最终得到坐标系8相对于坐标系0的齐次变换矩阵0T8＝0T6 6T8。
步骤5)过程具体如下：
设代表坐标系8相对于坐标系0的姿态，/>为坐标系8相对于坐标系0的位置，得到0T6＝0T8 6T8 -1，结合上一步得到的坐标系0到坐标系6的D-H变换矩阵0T6,利用矩阵基本关系得到0T1 -10T6 5T6 -1＝1T2 2T3 3T4 4T5，对矩阵进行恒等变换得到
θ5＝±a cos(a1x sin(θ1)-a1y cos(θ1))
θ6＝a tan2(n1x sin(θ1)-n1y cos(θ1),o1x sin(θ1)-o1y cos(θ1))-a tan 2(sin(θ5),0)
其中：
其中/>
θ4＝a tan2(-sin(θ6)(n1x cos(θ1)+n1y sin(θ1))-cos(θ6)(o1x cos(θ1)+o1y sin(θ1),o1z cos(θ6)+n1z sin(θ6))-θ2-θ3。
本发明有益效果在于：对二自由度绝缘杆进行运动学建模得到关节角与升降杆运动关系，提升了角度控制精度；根据业务需求将8自由度机械臂降维处理得到固定的解析解，大大增加了冗余机械臂作业可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明运动控制流程。
图2为二自由度绝缘杆俯仰与横滚通道建模图。
图3为二自由度绝缘杆建模控制误差对比。
图4为八自由度手臂坐标系建模。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，6自由度UR构型手臂及2自由度绝缘杆串联构成8自由度带电作业机械臂，通过对二自由度绝缘杆进行运动建模得到升降杆与俯仰角横滚角耦合关系，便于之后的控制；对8自由度手臂进行运动学建模，并通过逆运动学解算建立目标位姿与各关节角关系，为业务正常进行打下基础。
图1为本发明对8自由度手臂建模及控制流程，主要分为二自由度绝缘杆运动建模、8自由度手臂正运动学建模及逆运动学处理。
如图2所示，按照将二自由度绝缘杆实际运动，抽象出两升降杆铰接中点C控制俯仰角，两升降杆铰接点高度差控制横滚角。其中在二自由度绝缘杆俯仰通道上建立四连杆模型ABCD，其中A点为俯仰角轴线与横滚角轴线交点且为固定铰接点，连杆AB与绝缘杆轴线平行，两升降杆铰接点中点为C，BC一直垂直与AB，D为变铰接点，其中连杆AB杆长随C的高度而变化，连杆BC、CD,AD杆长不变,最终得到俯仰角与各杆长关系：
其中设末端工具在俯仰上水平时，右杆相对Z向位移为x1,向上为正；左杆相对于Z方向上的位x2；,在横滚通道上建立两三角形AEE′与AFF′，EF为定值，两升降杆差动得到横滚角：
下一步为方便对二自由度绝缘杆进行控制，用多项式拟合两升降杆位移与俯仰角关系，正解及逆解分析如图3所示，为今后的联动控制打下基础。
如图4所示，对前六轴采用标准DH法建立运动学模型，设前六轴的坐标系分别为坐标系1至6，参考坐标系固联在机械臂底座位置为坐标系0，Z0轴垂直向上，X0垂直于Z0轴，并沿水平方向，Y0轴方向根据右手螺旋定则进行确定，坐标系1-5分别建立在每个旋转关节上，Zi轴指向末端关节；设代表坐标系6相对于坐标系0的姿态，/>为坐标系6相对于坐标系0的位置，进而得到坐标系0到坐标系6的D-H变换矩阵
下一步对于二自由度绝缘杆采用绕自身旋转轴旋转的欧拉角建模方法进行建模，关节7绕自身X轴旋转，关节8绕自身Y轴旋转，则得到
最终得到坐标系8相对于坐标系0的齐次变换矩阵0T8＝0T6 6T8；
根据业务需求对第7、8轴角度进行确定，明析在开启力控及进行笛卡尔控制直线运动时，末端二自由度绝缘杆不参与运动，在特殊作业场景进行轨迹规划时，指定7轴、8轴关节角，进而将8自由度机械臂降维为6自由度机械臂,设代表坐标系8相对于坐标系0的姿态，/>为坐标系8相对于坐标系0的位置，得到0T6＝0T8 6T8 -1。对于前6轴UR构型手臂由于前三轴相互平行满足Pieper准则可以推导出解析解，结合上一步得到的坐标系0到坐标系6的D-H变换矩阵0T6,利用矩阵基本关系得到0T1 -10T6 5T6 -1＝1T2 2T3 3T4 4T5，对矩阵进行恒等变换得到/>
θ5＝±acos(a1x sin(θ1)-a1y cos(θ1))
θ6＝atan2(n1x sin(θ1)-n1y cos(θ1),o1x sin(θ1)-o1y cos(θ1))-a tan 2(sin(θ5),0)
其中：
其中/>
θ4＝a tan2(-sin(θ6)(n1x cos(θ1)+n1y sin(θ1))-cos(θ6)(o1x cos(θ1)+o1y sin(θ1),o1z cos(θ6)+n1z sin(θ6))-θ2-θ3
下一步，将逆解得到的8组结果经过择优处理，选择路径最小组解作为最优解，再通过RRT路径规划算法得到避障关节路点信息，再将路点信息发送给控制器对8自由度手臂实现完整控制。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种带电作业八自由度机械臂运动控制方法，针对由六自由度UR构型手臂及二自由度绝缘杆串联构成的八自由度带电作业机械臂，其特征在于包括以下步骤：
1)设六自由度UR构型手臂的运动轴线为前六轴，二自由度绝缘杆的运动轴线为第七轴和第八轴；
2)对二自由度绝缘杆进行机构分析，根据实际运动现象及机械参数建立数学模型建立两升降杆位移与绝缘杆俯仰角及横滚角关系；
3)对前六轴采用标准DH法建立运动学模型；
4)对二自由度绝缘杆采用绕自身旋转轴旋转的欧拉角建模方法进行建模；
5)根据期望位姿设定第七轴和第八轴关节角，明析在开启力控及进行笛卡尔控制直线运动时，末端二自由度绝缘杆不参与运动，在特殊作业场景进行轨迹规划时，指定第七轴、第八轴关节角，进而将八自由度机械臂降维为六自由度机械臂,根据步骤3)中采用标准DH法建立的运动学模型和步骤4)中二自由度绝缘杆采用绕自身旋转轴旋转的建模，得到正运动学关系后结合期望矩阵推导出六轴手臂解析解，从而将八自由度解析法逆解有无数组的情况转化为六自由度构型机械臂具有八组明确解析解的情况，再将目标位姿逆解结果通过RRT规划算法进行避障处理，得到关节角路点信息，将路点信息发送给控制器对八自由度手臂实现完整控制。
2.根据权利要求1所述的带电作业八自由度机械臂运动控制方法，其特征在于：步骤2)过程具体如下：
按照将二自由度绝缘杆实际运动，抽象出两升降杆铰接中点C控制俯仰角，两升降杆铰接点高度差控制横滚角，其中在二自由度绝缘杆俯仰通道上建立四连杆模型ABCD，其中A点为俯仰角轴线与横滚角轴线交点且为固定铰接点，连杆AB与绝缘杆轴线平行，两升降杆铰接点中点为C，BC一直垂直与AB，D为变铰接点，其中连杆AB杆长随C的高度而变化，连杆BC、CD,AD杆长不变,最终得到俯仰角θ7与各杆长关系：
其中设末端工具在俯仰上水平时，右杆相对Z向位移为x1,向上为正；左杆相对于Z方向上的位x2；在横滚通道上建立两三角形AEE′与AFF′，EF为定值，两升降杆差动得到横滚角θ8：
用多项式拟合两升降杆位移与俯仰角关系。
3.根据权利要求1所述的带电作业八自由度机械臂运动控制方法，其特征在于：步骤3)过程具体如下：
对前六轴采用标准DH法建立运动学模型，设前六轴的坐标系分别为坐标系1至6，参考坐标系固联在机械臂底座位置为坐标系0，Z0轴垂直向上，X0垂直于Z0轴，并沿水平方向，Y0轴方向根据右手螺旋定则进行确定，坐标系1-5分别建立在每个旋转关节上，Zi轴指向末端关节；设代表坐标系6相对于坐标系0的姿态，/>为坐标系6相对于坐标系0的位置，进而得到坐标系0到坐标系6的D-H变换矩阵
4.根据权利要求3所述的带电作业八自由度机械臂运动控制方法，其特征在于：步骤4)过程具体如下：
设第七轴关节绕自身X轴旋转，第八轴关节绕自身Y轴旋转，第八轴坐标系为坐标系8，则得到
,
最终得到坐标系8相对于坐标系0的齐次变换矩阵0T8＝0T6 6T8。
5.根据权利要求4所述的带电作业八自由度机械臂运动控制方法，其特征在于：步骤5)过程具体如下：
设代表坐标系8相对于坐标系0的姿态，/>为坐标系8相对于坐标系0的位置，得到结合上一步得到的坐标系0到坐标系6的D-H变换矩阵0T6,利用矩阵基本关系得到0T1 -10T6 5T6 -1＝1T2 2T3 3T4 4T5，对矩阵进行恒等变换得到
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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