CN117532589B - 一种混联六自由度调姿机构及其运动学解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人技术领域，公开了一种混联六自由度调姿机构及其运动学解算方法，包括调姿机构，所述的调姿机构包括多个移动关节和旋转关节；所述调姿机构包括等效位置调整机构和等效姿态调整机构。首先简化混联六自由度调姿机构得到机构原理图及确定几何参数。再确定混联六自由度调姿机构等效原理图，确定等效姿态调整机构和等效位置调整机构。建立等效机构的运动学模型，确定其DH参数表，并采用几何代数法逆解计算处等效机构的驱动参数。最后建立等效姿态调整机构的运动学模型，采用闭环矢量法和欧拉角旋转矩阵变换法求解实际驱动参数。本发明提高了调姿效率和通用性，同时降低了机构在故障状态下的修复难度、提高了实用性和保障性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体为一种混联六自由度调姿机构及其运动学解算方法。
背景技术
目前现有调姿机构包括串联式和并联式六自由度结构设计，其中串联式结构工作范围大、刚性小，适合小负载、大范围调姿需求；并联式结构刚度高、各向同性好，适合大负载、小范围调姿需求。对于某些工况的大负载、大范围调姿需求，串联式机构的负载能力不足，而并联式六自由度结构容易受到控制耦合性高、工作空间、球铰活动范围和连杆干涉的限制，因此具备更大的工作空间、耦合性低的混联机构成为调姿设备的一种解决方案。混联机构虽然组合样式繁多，但某一类混联机构但经简化后可等效成同一原理的结构，该类混联机构的运动学模型经推导、归纳整理后可用于各类工程化应用，具有很高的实用价值。针对上述问题及需求，所以需要一种混联六自由度调姿机构及其运动学解算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混联六自由度调姿机构及其运动学解算方法。本发明提高了调姿效率和通用性，同时降低了机构在故障状态下的修复难度、提高了实用性和保障性。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种混联六自由度调姿机构，包括调姿机构，所述的调姿机构包括多个移动关节和旋转关节；
所述调姿机构包括等效位置调整机构和等效姿态调整机构；所述等效姿态调整机构的旋转关节包括实轴旋转关节和虚拟轴旋转关节，所述移动关节包括位置调整移动关节和构成虚拟轴旋转关节的姿态调整移动关节；根据等效机构的几何参数，采用几何代数法确定位置调整移动关节和实轴旋转关节和虚拟轴旋转关节；根据虚拟轴旋转关节，采用闭环矢量法、欧拉角旋转变换确定姿态调整移动关节，其中位置调整移动关节、姿态调整移动关节和实轴旋转关节用于实际控制调姿机构的运转。
所述的等效姿态调整机构包括一个实轴旋转关节和两个虚拟轴旋转关节，所述等效位置调整机构包括三个位置调整移动关节；
所述的调姿机构包括五个移动关节和一个旋转关节，移动关节可分为位置调整移动关节和姿态调整移动关节，姿态调整移动关节包括第一移动关节和第二移动关节，位置调整移动关节包括第三移动关节、第四移动关节和五移动关节，所述旋转关节为实轴旋转关节，所述姿态调整移动关节等效替代成虚拟轴旋转关节；
在所述调姿机构中还包括和/>虎克铰，/>、/>和/>球铰，/>之间和/>之间分别通过第一移动关节、第二移动关节相连，等效为两个虚拟轴旋转关节，虎克铰/>、和球铰/>构成等效姿态调整机构/>的固定平台，所述球铰/>、/>和/>构成了等效姿态调整机构的活动平台，活动平台平面/>的俯仰即绕/>轴的旋转和横滚姿态即绕/>轴的旋转由等效姿态调整机构控制，其中两个移动关节分别用/>和/>表示，两个移动关节的长度分别用/>和/>表示。
进一步，本发明提供一种混联六自由度调姿运动学解算方法，具体按以下步骤执行：
S1:简化混联六自由度调姿机构得到机构原理图及确定几何参数;将实轴旋转关节和等效位置调整机构依次串联在平面上、与工件固连的坐标系的设为/>，的偏航即绕/>轴的旋转通过驱动电机实现，旋转关节用/>表示，旋转关节的角度用表示；
坐标系的平动通过等效位置调整机构中三个相互垂直的移动关节驱动实现，三个移动关节分别用/>、/>和/>表示，三个移动关节的长度分别用/>、/>和/>表示。
S2:确定混联六自由度调姿机构等效原理图，确定等效姿态调整机构和等效位置调整机构；等效机构按照DH准则建立相应坐标系，初始状态下，各坐标系中轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>、/>、/>、/>、/>、/>轴均依据右手定则确定；
其中、/>、/>、/>、/>和/>均根据DH准则定义，坐标系/>相对于坐标系的变换矩阵/>通过式（1）-式（9）四个子变换矩阵乘积得到：
式（1）
通过式（1）得到各相邻关节减的变换矩阵以及末端位姿矩阵，如式（2）-式（9）；
式（2)
式（3)
式（4)
式（5)
式（6)
式（7)
式（8)
式（9)。
S3:建立等效机构的运动学模型，确定其DH参数表，并采用几何代数法逆解计算处等效机构的驱动参数；
根据坐标系设置，在给定末端位姿矩阵后，采用几何代数法确定等效姿态调整机构和等效位置调整机构的驱动参数；其中等效机构的驱动参数通过表示；
其中，根据对应位相等，确定等效姿态调整机构的一个虚拟轴旋转关节驱动参数，计算出另一个虚拟轴旋转关节驱动参数/>以及实轴旋转关节驱动参数/>。
S4:建立等效姿态调整机构的运动学模型，采用闭环矢量法和欧拉角旋转矩阵变换法求解实际驱动参数。
根据对位相等，由等效位置调整机构的驱动参数、/>和/>组成的三个线性方程组；如式（10）；
式（10）
其中线性方程组中的相关中间变量为、/>、、/>、/>、/>、/>、/>、 、/>、和/>。
通过求解方程组计算出等效位置调整机构的驱动参数、/>和/>的表达式，如式（11）：
式（11）
其中，中间变量、/>、/>和/>的表达式如式（12）；
；/>；/>；/> 式（12）。
等效机构的驱动参数中的/>和/>通过控制/>和/>实现，在上述/>和/>的基础上，进行/>和/>的求解，得到/>和/>的表达式/>和/>；
其中，中间变量和/>如式（13）；
；/> 式（13）
得到机构的实际驱动参数。
进一步，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被主控制器执行时实现如上述中的任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本方法可实现大范围、大负载下的多自由度位姿调整，该类型原理的结构可对工件进行俯仰、偏航、翻滚、三维空间内各向平动等。
2.本方法的位姿调整功能采用解耦集中设计，整体耦合性低、结构刚度强，操作者可快速灵活对其进行多自由度驱动操作，本发明的解耦集中设计提高了调姿效率和通用性，同时降低了机构在故障状态下的修复难度、提高了实用性和保障性。
3.本方法将六自由度调姿机构分为前端三自由度姿态调姿机构和后端三自由度位置调姿机构，分别利用闭环矢量法、欧拉角旋转变换和几何代数法求解各个驱动关节，通过适当的等效简化，有效地解决了现有技术中求解过程发杂难懂，计算量大，求解效率慢的问题，实现代码精简，求解效率快和精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明的混联六自由度调姿机构原理图；
图2是本发明的混联六自由度调姿机构初始位置原理图；
图3是本发明的一种混联六自由度调姿机构等效原理图；
图4是等效姿态调整机构结构原理图；
图5是初始位置下等效姿态调整机构结构原理图；
图6是本发明的运动学解算方法流程图；
图7是本发明的等效简化后的六自由度调姿平台的DH参数表。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅为本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种混联六自由度调姿机构，
如图1，包括调姿机构，所述的调姿机构包括多个移动关节和旋转关节；具体包括虎克铰、/>，球铰/>、/>和/>，移动关节/>、/>、/>、/>和/>以及转动关节/>。
所述调姿机构包括等效位置调整机构和等效姿态调整机构；所述等效姿态调整机构的旋转关节包括实轴旋转关节和虚拟轴旋转关节，所述移动关节包括位置调整移动关节和构成虚拟轴旋转关节的姿态调整移动关节；根据等效机构的几何参数，采用几何代数法确定位置调整移动关节和实轴旋转关节和虚拟轴旋转关节；根据虚拟轴旋转关节，采用闭环矢量法、欧拉角旋转变换确定姿态调整移动关节，其中位置调整移动关节、姿态调整移动关节和实轴旋转关节用于实际控制调姿机构的运转。
所述的等效姿态调整机构包括一个实轴旋转关节和两个虚拟轴旋转关节，所述等效位置调整机构包括三个位置调整移动关节；
所述的调姿机构包括五个移动关节和一个旋转关节，移动关节可分为位置调整移动关节和姿态调整移动关节，姿态调整移动关节包括第一移动关节和第二移动关节，位置调整移动关节包括第三移动关节、第四移动关节和五移动关节，所述旋转关节为实轴旋转关节，所述姿态调整移动关节等效替代成虚拟轴旋转关节；
如图2，初始位置下和/>与/>轴平行，在所述调姿机构中还包括/>和/>虎克铰，/>、/>和/>球铰，/>之间和/>之间分别通过第一移动关节、第二移动关节相连，等效为两个虚拟轴旋转关节，虎克铰/>、/>和球铰/>构成等效姿态调整机构/>的固定平台，所述球铰/>、/>和/>构成了等效姿态调整机构的活动平台，在球铰/>处建立基坐标系/>，所述球铰/>、/>和/>构成了等效姿态调整机构的活动平台，在球铰/>处建立活动坐标系/>;
活动平台平面 的俯仰即绕/>轴的旋转和横滚姿态即绕/>轴的旋转由等效姿态调整机构控制，其中两个移动关节分别用/>和/>表示，两个移动关节的长度分别用/>和/>表示。
进一步，本发明提供一种混联六自由度调姿运动学解算方法，具体按以下步骤执行：
S1:简化混联六自由度调姿机构得到机构原理图及确定几何参数;将实轴旋转关节和等效位置调整机构依次串联在平面上、与工件固连的坐标系的设为/>，的偏航即绕/>轴的旋转通过驱动电机实现，旋转关节用/>表示，旋转关节的角度用表示；
坐标系的平动通过等效位置调整机构中三个相互垂直的移动关节驱动实现，三个移动关节分别用/>、/>和/>表示，三个移动关节的长度分别用/>、/>和/>表示。
S2:如图3，所述等效原理图包括等效姿态调整机构和等效位置调整机构/>。
所述等效姿态调整机构包括一个实轴旋转关节和两个虚拟轴旋转关节，等效位置调整机构包括三个位置调整移动关节。
所述实轴旋转关节和等效位置调整机构依次串联在平面上，所述实轴旋转关节/>的旋转轴线与活动坐标系/>的/>轴重合。
所述等效位置调整机构包括移动关节/>、/>和/>，所述移动关节/>、/>和/>其轴线相互垂直相交于/>，三个移动关节的长度分别用/>、/>和/>表示，初始位姿下，所述/>点位于球铰/>的连线与/>轴共线、偏移距离为/>，三个移动关节的长度均为0;
如图4-图5；初始位置下活动坐标系与基坐标系/>重合，各球铰、/>和/>在基坐标系/>下的坐标分别为/>、/>，各虎克铰/>、/>在活动坐标系/>下的坐标分别为/>、。
如图7，确定混联六自由度调姿机构等效原理图，确定等效姿态调整机构和等效位置调整机构；等效机构按照DH准则建立相应坐标系，初始状态下，各坐标系中轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>、/>、/>、/>、/>、/>轴均依据右手定则确定；
其中、/>、/>、/>、/>和/>均根据DH准则定义，坐标系/>相对于坐标系的变换矩阵/>通过式（1）-式（9）四个子变换矩阵乘积得到：
式（1）
通过式（1）得到各相邻关节减的变换矩阵以及末端位姿矩阵，如式（2）-式（9）；
式（2)
式（3)
式（4)
式（5)
式（6)
式（7)
式（8)
式（9)。
S3:建立等效机构的运动学模型，确定其DH参数表，并采用几何代数法逆解计算处等效机构的驱动参数；
根据坐标系设置，在给定末端位姿矩阵后，采用几何代数法确定等效姿态调整机构和等效位置调整机构的驱动参数；其中等效机构的驱动参数通过表示；
其中，根据对应位相等，确定等效姿态调整机构的一个虚拟轴旋转关节驱动参数，计算出另一个虚拟轴旋转关节驱动参数/>以及实轴旋转关节驱动参数/>。
S4:建立等效姿态调整机构的运动学模型，采用闭环矢量法和欧拉角旋转矩阵变换法求解实际驱动参数。
根据对位相等，由等效位置调整机构的驱动参数、/>和/>组成的三个线性方程组；如式（10）；
式（10）
其中线性方程组中的相关中间变量为、/>、、/>、/>、/>、/>、/>、 、/>、和/>。
通过求解方程组计算出等效位置调整机构的驱动参数、/>和/>的表达式，如式（11）：
式（11）
其中，中间变量、/>、/>和/>的表达式如式（12）；
；/>；/>；/> 式（12）。
等效机构的驱动参数中的/>和/>通过控制/>和/>实现，在上述/>和/>的基础上，进行/>和/>的求解，得到/>和/>的表达式/>和/>；
其中，中间变量和/>如式（13）；
；/> 式（13）
得到机构的实际驱动参数。
本实施例中，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被主控制器执行时实现如上述中的任一项所述的方法。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明有各种更改和变化。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 (5)
1.一种混联六自由度调姿机构，其特征在于：包括调姿机构，所述的调姿机构包括多个移动关节和旋转关节；
所述调姿机构包括等效位置调整机构和等效姿态调整机构；所述等效姿态调整机构的旋转关节包括实轴旋转关节和虚拟轴旋转关节，所述移动关节包括位置调整移动关节和构成虚拟轴旋转关节的姿态调整移动关节；
所述的等效姿态调整机构包括一个实轴旋转关节和两个虚拟轴旋转关节，所述等效位置调整机构包括三个位置调整移动关节；
所述的调姿机构包括五个移动关节和一个旋转关节，移动关节可分为位置调整移动关节和姿态调整移动关节，姿态调整移动关节包括第一移动关节和第二移动关节，位置调整移动关节包括第三移动关节、第四移动关节和五移动关节，所述旋转关节为实轴旋转关节，所述姿态调整移动关节等效替代成虚拟轴旋转关节；
在所述调姿机构中还包括和/>虎克铰，/>、/>和/>球铰，/>之间和/>之间分别通过第一移动关节、第二移动关节相连，等效为两个虚拟轴旋转关节，虎克铰/>、/>和球铰/>构成等效姿态调整机构/>的固定平台，所述球铰/>、/>和/>构成了等效姿态调整机构的活动平台，活动平台平面/>的俯仰即绕/>轴的旋转和横滚姿态即绕/>轴的旋转由等效姿态调整机构控制，其中两个移动关节分别用/>和/>表示，两个移动关节的长度分别用/>和/>表示。
2.一种混联六自由度调姿运动学解算方法，其特征在于：具体按以下步骤执行：
S1:简化混联六自由度调姿机构得到机构原理图及确定几何参数;将实轴旋转关节和等效位置调整机构依次串联在平面上、与工件固连的坐标系的设为/>，/>的偏航即绕/>轴的旋转通过驱动电机实现，旋转关节用/>表示，旋转关节的角度用/>表示；
坐标系的平动通过等效位置调整机构中三个相互垂直的移动关节驱动实现，三个移动关节分别用/>、/>和/>表示，三个移动关节的长度分别用/>、/>和/>表示
S2:确定混联六自由度调姿机构等效原理图，确定等效姿态调整机构和等效位置调整机构；
等效机构按照DH准则建立相应坐标系，初始状态下，各坐标系中轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>轴与/>轴共线，/>、/>、/>、/>、/>、/>轴均依据右手定则确定；
其中、/>、/>、/>、/>和/>均根据DH准则定义，坐标系/>相对于坐标系/>的变换矩阵/>通过式（1）-式（9）四个子变换矩阵乘积得到：
式（1）
通过式（1）得到各相邻关节减的变换矩阵以及末端位姿矩阵，如式（2）-式（9）；
式（2)
式（3)
式（4)
式（5)
式（6)
式（7)
式（8)
式（9)；
S3:建立等效机构的运动学模型，确定其DH参数表，并采用几何代数法逆解计算处等效机构的驱动参数；
根据坐标系设置，在给定末端位姿矩阵后，采用几何代数法确定等效姿态调整机构和等效位置调整机构的驱动参数；其中等效机构的驱动参数通过/>表示；
其中，根据对应位相等，确定等效姿态调整机构的一个虚拟轴旋转关节驱动参数，计算出另一个虚拟轴旋转关节驱动参数/>以及实轴旋转关节驱动参数/>；
S4:建立等效姿态调整机构的运动学模型，采用闭环矢量法和欧拉角旋转矩阵变换法求解实际驱动参数。
3.根据权利要求2所述的一种混联六自由度调姿运动学解算方法，其特征在于：在步骤S4中，
根据对位相等，由等效位置调整机构的驱动参数、/>和/>组成的三个线性方程组；如式（10）；
式（10）
其中线性方程组中的相关中间变量为、/>、/>、、/>、/>、/>、/>、/> 、/>、和/>；
其中，c表示cos运算，s表示sin运算，x、y、z分别为混联调姿机构末端坐标系原点在基坐标系下的位置坐标值。
4.根据权利要求3所述的一种混联六自由度调姿运动学解算方法，其特征在于：
通过求解方程组计算出等效位置调整机构的驱动参数、/>和/>的表达式，如式（11）：
其中，中间变量/>、/>、/>和/>的表达式如式（12）；
；/>；/>；/> 式（12）。
5.根据权利要求4所述的一种混联六自由度调姿运动学解算方法，其特征在于：等效机构的驱动参数中的/>和/>通过控制/>和/>实现，在上述/>和/>的基础上，进行/>和/>的求解，得到/>和/>的表达式/>和/>；
其中，中间变量和/>如式（13）；
；/> 式（13）
得到机构的实际驱动参数；
其中，和/>分别表示调姿机构中的两个移动关节的长度，/>为虎克铰/>和球铰/>的向量，/>为虎克/>和球铰/>的向量。
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2024
- 2024-01-08 CN CN202410022438.3A patent/CN117532589B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Also Published As
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Legal Events
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