首页 / 专利库 / 人工智能 / 机器人 / 关节型机器人 / 一种多关节串联式机器人运动学模型的建立方法

一种多关节串联机器人运动学模型的建立方法

阅读:1019发布:2020-05-25

专利汇可以提供一种多关节串联机器人运动学模型的建立方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种多关节 串联 式 机器人 运动学模型 的建立方法,能够准确描述机器人真实的几何结构,提高绝对 定位 精度 , 连杆 i绕关节轴i在平面Pi内旋转,连杆i+1绕关节轴i+1在平面Pi内旋转,Ci是平面Pi和关节轴i+1的交点, 坐标系 建立:坐标原点Oi位于连杆i+1绕关节轴i+1旋转所形成的圆的圆心;Zi轴的方向沿关节轴i+1的方向设置,正方向指向远离机器人 基座 的方向;Xi轴的方向沿直线Oi-1Ci设置,正方向由Oi-1指向Ci;Yi轴由右手坐标系原则决定:伸出右手,让拇指和食指之间构成直 角 ,拇指向右,食指向上,其余的 手指 指向前方,拇指、食指和其余手指的指向分别代表Xi轴、Yi轴,Zi轴的正方向。,下面是一种多关节串联机器人运动学模型的建立方法专利的具体信息内容。

1.一种多关节串联机器人运动学模型的建立方法,其特征在于:包括关节轴i和关节轴i+1,关节轴i和关节轴i+1之间通过连杆ai连接,所述关节轴i上设有连杆i,所述关节轴i+1上设有连杆i+1,连杆i绕关节轴i在平面Pi内旋转,连杆i+1绕关节轴i+1在平面Pi内旋转,Ci是平面Pi和关节轴i+1的交点,坐标系如下建立:
坐标原点Oi位于连杆i+1绕关节轴i+1旋转所形成的圆的圆心;
Zi轴沿关节轴i+1的设置,远离机器人的安装基座的方向为Zi轴的正方向;
Xi轴的方向沿直线Oi-1Ci设置,Xi轴的正方向由Oi-1指向Ci;
Yi轴由右手坐标系原则决定:伸出右手,让拇指和食指之间构成直,拇指向右,食指向上,其余的手指指向前方垂直于拇指和食指构成的平面,其中拇指、食指和其余手指的指向分别代表Xi轴、Yi轴,Zi轴的正方向;
坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的通过如下步骤变换:
步骤1:将坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1绕Zi-1轴旋转θi,使Xi-1轴与直线Oi-1Ci重合;
步骤2:将旋转后的坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的原点平移到Ci点;
步骤3:将平移后的坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1进行旋转,使其各坐标轴方向与坐标轴OiXiYiZi一致;
步骤4:将旋转后的坐标系原点平移到Oi点。
2.根据权利要求1所述的一种多关节串联式机器人运动学模型的建立方法,其特征在于:坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的变化矩阵如下:
i-1Ai=rot(Z,θi)trans(X,ai)i-1Ritrans(Z,di)
其中i-1Ai是坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的变换矩阵,i-1Ri是步骤3中的旋转矩阵,
其中(Xi-1,Xi)表示Xi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Xi-1,Yi)为Xi-1轴和Yi轴之间的夹角,(Xi-1,Zi)表示Xi-1轴和Zi轴之间的夹角,(Yi-1,Xi)为Yi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Yi-1,Yi)为Yi-1轴和Yi轴之间的夹角,(Yi-1,Zi)为Yi-1轴和Zi轴之间的夹角,(Zi-1,Xi)为Zi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Zi-1,Yi)为Zi-1轴和Yi轴之间的夹角,(Zi-1,Zi)为Zi-1轴和Zi轴之间的夹角。

说明书全文

一种多关节串联机器人运动学模型的建立方法

技术领域

[0001] 本发明涉及多关节串联式机器人技术领域,具体为一种多关节串联式机器人运动学模型的建立方法。

背景技术

[0002] 对于多关节串联式机器人,为了计算其运动学正反解,需要建立基座标系和各关节坐标系,通过求得各关节坐标系和基座标系的变换关系,最终建立起机器人末端与基座标系的坐标关系。D-H坐标建立法是目前机器人坐标系建立最常用的方法,它是1955年西子两位工程师Danavit和Hartenberg提出的,如图1所述,其关节坐标系的建立原则是:(1) 坐标系原点Oi:设立在杆件长度li与关节轴线Ai+1的交点上;(2)Zi轴:与Ai+1关节轴线重合,指向任意;(3)Xi轴:与杆件长度li重合,指向沿li由Ai轴指向Ai+1轴线 (沿两轴线公垂线方向);(4)Yi轴:按右手定则。
[0003] 按照这种建模思想,对于串联式机器人中常见的两平行关节轴,当两轴线因加工装配原因发生轻微的倾斜时,如果按实际几何情况建立D-H模型,将导致D-H参数产生巨大的偏差,用D-H建模方法无法准确描述杆件长度li,导致用D-H方法建立的机器人运动学模型无法准确描述机器人本体结构的真实情况。此时往往用设计参数对其进行描述,如此会大大影响机器人的绝对定位精度

发明内容

[0004] 针对现有技术中的D-H模型在面对两平行关节轴的两轴线存在倾斜且共面时无法准确描述机器人本体结构的真实情况的问题,本发明提供了一种多关节串联式机器人运动学模型的建立方法,能够准确描述机器人真实的几何结构,提高机器人的绝对定位精度。
[0005] 其技术方案是这样的:一种多关节串联式机器人运动学模型的建立方法,其特征在于:包括关节轴i和关节轴i+1,关节轴i和关节轴i+1之间通过连杆ai连接,所述关节轴i上设有连杆i,所述关节轴i+1上设有连杆i+1,连杆i绕关节轴i在平面Pi内旋转,连杆i+1绕关节轴i+1在平面Pi内旋转,Ci是平面Pi和关节轴i+1的交点,坐标系如下建立:
[0006] 坐标原点Oi位于连杆i+1绕关节轴i+1旋转所形成的圆的圆心;
[0007] Zi轴沿关节轴i+1的设置,远离机器人的安装基座的方向为Zi轴的正方向;
[0008] Xi轴的方向沿直线Oi-1Ci设置,Xi轴的正方向由Oi-1指向Ci;
[0009] Yi轴由右手坐标系原则决定:伸出右手,让拇指和食指之间构成直,拇指向右,食指向上,其余的手指指向前方垂直于拇指和食指构成的平面,其中拇指、食指和其余手指的指向分别代表Xi轴、Yi轴,Zi轴的正方向;
[0010] 坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的通过如下步骤变换:
[0011] 步骤1:将坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1绕Zi-1轴旋转θi,使Xi-1轴与直线Oi-1Ci重合;
[0012] 步骤2:将旋转后的坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的原点平移到Ci点;
[0013] 步骤3:将平移后的坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1进行旋转,使其各坐标轴方向与坐标轴OiXiYiZi一致;
[0014] 步骤4:将旋转后的坐标系原点平移到Oi点。
[0015] 进一步的,坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的变化矩阵如下:
[0016] i-1Ai=rot(Z,θi)trans(X,ai)i-1Ritrans(Z,di)
[0017] 其中i-1Ai是坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的变换矩阵,i-1Ri是步骤3中的旋转矩阵,
[0018]
[0019] 其中(Xi-1,Xi)表示Xi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Xi-1,Yi)为Xi-1轴和Yi轴之间的夹角, (Xi-1,Zi)表示Xi-1轴和Zi轴之间的夹角,(Yi-1,Xi)为Yi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Yi-1,Yi) 为Yi-1轴和Yi轴之间的夹角,(Yi-1,Zi)为Yi-1轴和Zi轴之间的夹角,(Zi-1,Xi)为Zi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Zi-1,Yi)为Zi-1轴和Yi轴之间的夹角,(Zi-1,Zi)为Zi-1轴和Zi轴之间的夹角。
[0020] 采用多关节串联式机器人运动学模型的建立方法,面对多关节串联式机器人的任意两平行关节轴的两轴线因加工装配原因发生轻微的倾斜情况时,能够准确描述机器人真实的几何结构,提高机器人的绝对定位精度。附图说明
[0021] 图1为D-H坐标模型的示意图;
[0022] 图2为多关节串联式机器人运动学模型的建立方法的模型示意图;
[0023] 图3为具体实施例1中使用D-H坐标模型建模的模型示意图;
[0024] 图4为具体实施例1中使用本发明的多关节串联式机器人运动学模型的建立方法建立的模型示意图。

具体实施方式

[0025] 见图2,本发明的一种多关节串联式机器人运动学模型的建立方法,包括关节轴i和关节轴i+1,关节轴i和关节轴i+1之间通过连杆ai连接,关节轴i上设有连杆i,关节轴i+1 上设有连杆i+1,连杆i绕关节轴i在平面Pi内旋转,连杆i+1绕关节轴i+1在平面Pi内旋转,Ci是平面Pi和关节轴i+1的交点,坐标系如下建立:
[0026] 坐标原点Oi位于连杆i+1绕关节轴i+1旋转所形成的圆的圆心;
[0027] Zi轴沿关节轴i+1的设置,远离机器人的安装基座的方向为Zi轴的正方向;
[0028] Xi轴的方向沿直线Oi-1Ci设置,Xi轴的正方向由Oi-1指向Ci;
[0029] Yi轴由右手坐标系原则决定:伸出右手,让拇指和食指之间构成直角,拇指向右,食指向上,其余的手指指向前方垂直于拇指和食指构成的平面,其中拇指、食指和其余手指的指向分别代表Xi轴、Yi轴,Zi轴的正方向,从而确定Yi轴;
[0030] 坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的通过如下步骤变换:
[0031] 步骤1:将坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1绕Zi-1轴旋转θi,使Xi-1轴与直线Oi-1Ci重合;
[0032] 步骤2:将旋转后的坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的原点平移到Ci点;
[0033] 步骤3:将平移后的坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1进行旋转,使其各坐标轴方向与坐标轴OiXiYiZi一致;
[0034] 步骤4:将旋转后的坐标系原点平移到Oi点。
[0035] 上述步骤变换能够用坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的变化矩阵,具体如下:
[0036] i-1Ai=rot(Z,θi)trans(X,ai)i-1Ritrans(Z,di)
[0037] 其中i-1Ai是坐标系OiXiYiZi到坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的变换矩阵,i-1Ri是步骤3中的旋转矩阵,
[0038]
[0039] 其中(Xi-1,Xi)表示Xi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Xi-1,Yi)为Xi-1轴和Yi轴之间的夹角, (Xi-1,Zi)表示Xi-1轴和Zi轴之间的夹角,(Yi-1,Xi)为Yi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Yi-1,Yi) 为Yi-1轴和Yi轴之间的夹角,(Yi-1,Zi)为Yi-1轴和Zi轴之间的夹角,(Zi-1,Xi)为Zi-1轴和Xi轴之间的夹角,(Zi-1,Yi)为Zi-1轴和Yi轴之间的夹角,(Zi-1,Zi)为Zi-1轴和Zi轴之间的夹角。
[0040] 具体实施例1:如附图3所示的理想机器人关节结构,关节轴i、i+1和i+2互相平行,且连杆i和连杆i+1共面,坐标系OiXiYiZi和Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1是使用D-H建模方法建立的坐标系。当如附图4所示的关节轴i+1因加工装配原因发生轻微倾斜时,采用D-H建模方法建立的关节轴i和关节轴i+1的公垂线ai发生了很大的偏移,导致使用D-H建模方法建立的运动学模型严重失真,无法准确描述机器人连杆之间的真实几何关系。特别地,当两关节轴共面且发生轻微偏移时,两关节轴在无穷远处相交,此时无法用D-H建模方法中的公垂线进行描述。本发明提出的运动学建模方法,在连杆与轴线确定的平面内,将轴线的垂线作为X轴,可以很好地避免用公垂线描述可能带来的参数无穷大问题,能够准确描述机器人本体的真实几何结构。
[0041] 采用多关节串联式机器人运动学模型的建立方法,面对多关节串联式机器人的任意两平行关节轴的两轴线因加工装配原因发生轻微的倾斜且共面的情况时,能够准确描述机器人真实的几何结构,提高机器人的绝对定位精度。
[0042] 以上实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
高效检索全球专利

专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台,是提供专利分析,专利查询,专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。

我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据,免费查、免费专利分析。

申请试用

分析报告

专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析,涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度,系统通过AI智能系统对图表进行解读,只需1分钟,一键生成行业专利分析报告。

申请试用

QQ群二维码
意见反馈