基于自运动的仿人七自由度机械臂逆解算法.PDF

第１８卷 第６期 （自然 科 学 版） Ｖｏｌ．１８Ｎｏ．６ ２０１２年１２月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ） Ｄｅｃ．２０１２ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７２８６１．２０１２．０６．００８　 基于自运动的仿人七自由度机械臂逆解算法 崔　泽，　韩增军 （上海大学 机电工程与自动化学院，上海２０００７２） 摘要：基于七自由度（ｓｅｖｅｎｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ，７ＤＯＦ）机械手臂的结构和自运动特性，提出通过对关节位置进行几 何分析，求解机械臂逆运动学的方法．该方法在自运动构型的基础上，以０坐标系为其他坐标系的基系，根据同一向 量在不同坐标系之间的投影特性与关节角之间存在着的对应关系，实现对七自由度机械臂逆运动学的求解．该方法 能够求解出针对任一特定末端位姿的所有理论逆解．通过引入机械臂优化的二次目标，对所有理论逆解进行优化， 可得最优逆解用于机械臂控制．与梯度投影法等通用算法相比，该方法具有直观简练、计算量小等优点，且不同的末 端位姿求解过程互不影响，对系列性末端位姿连续求解不存在累积误差． 关键词：七自由度；逆运动；自运动；坐标变换 中图分类号：ＴＰ２４　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　文章编号：１００７２８６１（２０１２）０６０５８９０７　 ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆ７ＤＯＦＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＳｅｌｆＭｏｔｉｏｎ ＣＵＩＺｅ，　ＨＡＮＺｅｎｇｊｕｎ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｒｏｂｏｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｗｉｔｈｓｅｖｅｎｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ（７ＤＯＦ）ａｎｄｉｔｓ ｓｅｌｆｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｆｉｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆａｒｏｂｏｔ． Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓａｔｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ．Ｓｅｌｆｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｄｕｎｄａｎｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｎｄｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｅｄｕｎｄａｎｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｉｓ ｓｏｌｖｅｄｕｓｉｎｇｉｔｓｓｅｌｆｍｏｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｅａｓｙ．Ｉｔｉｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅ ｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｖｅｎｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍ（７ＤＯＦ）；ｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃ；ｓｅｌｆｍｏｔｉｏｎ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍ 　　当机器人的自由度数目大于其工作所需的末端 有调整的余地，从而无法实现指定位姿．冗余自由度 位姿参数数目时，该机器人被称为冗余自由度机器 机器人区别于非冗余自由度机器人的最大特点是其 人［１］．传统机器人的末端位姿与各关节角之间存在 自运动特性［２］．在末端位姿指定的情况下，关节空间 着一一对应关系，即在末端位姿确定的状态下，只存 中存在着无数组解与指定末端位姿相对应，而这些 在有限的关节位置与之对应．这类传统机器人的缺 所有可能关节角的集合就是冗余机器人自运动流 点是运动不灵活，如果某指定位姿下对应的关节位 形．换句话说，就是在自运动流形内的关节角组合都 置存在