一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法技术

本申请的目的是提供一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法，本申请通过基于六轴机器臂的姿态信息建立所述六轴机器臂的连杆坐标系模型；获取末端坐标系相对基坐标系的末端齐次变换矩阵；基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到运动学逆解，即通过建立所述六轴机器臂D‑H模型，采用结合球面几何的解析法分析其逆运动学方程式，在机器人操作系统(ROS，Robot Operating System)中进行代码的编写最终求得运动学逆解，将解析法的计算快速性与球面求解的灵活性结合，提高求解的快速性同时也提高了机器臂姿态的灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法
本申请涉及计算机领域，尤其涉及一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法。
技术介绍
现有技术中，机械臂被广泛应用于机械制造、航空航天、医疗和原子能等领域，机械臂的逆运动学问题是其轨迹规划与控制的重要基础，逆运动学求解是否快速准确将直接影响到机械臂轨迹规划与控制的精度。机器臂逆运动学是根据已知末端执行器的位姿(位置和姿态)求解机器臂各关节的变量。传统的逆运动学求解方法有解析法、迭代法，智能方法有遗传算法、神经网络算法等，这些求解所得姿态较为单一，且计算速度及求解率不能满足脊柱检测用机器臂的特定需要。因此，提高机器臂在逆运行方程求解过程中的求解率和快速性是本领域技术人员需要继续研究的方向。
技术实现思路
本申请的一个目的是提供一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法，以解决现有技术中如何提高机器臂逆运动学求解的精度和速度，以及增加求解结果的多样性的问题。根据本申请的一个方面，提供了一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法，其特征在于，所述方法包括：基于六轴机器臂的姿态信息建立所述六轴机器臂的连杆坐标系模型；获取末端坐标系相对基坐标系的末端齐次变换矩阵；基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到运动学逆解。进一步地，上述基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中，所述基于六轴机器臂的姿态信息建立所述六轴机器臂的连杆坐标系模型之后，还包括：获取所述连杆坐标系模型的所述已知模型参数；所述已知模型参数包括连杆转角、连杆长度、连杆偏距。进一步地，上述基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中，所述基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到运动学逆解，包括：基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，根据相对坐标系位置变换求解得到所述六轴机器臂的第一关节角和第五关节角；根据所述第一关节角、所述第五关节角、所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到所述六轴机器臂的第六关节角；基于所述第一关节角、所述第五关节角、所述第六关节角以及末端齐次变换矩阵，结合第二旋转轴、第三旋转轴以及第四旋转轴之间的平行关系计算得到第二关节角、第三关节角以及第四关节角。进一步地，上述基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中，所述基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，根据相对坐标系位置变换求解得到所述六轴机器臂第一关节角和第五关节角，包括：将第五坐标系相对于基坐标系进行位置变换，并根据所述末端齐次变换矩阵以及所述已知模型参数中第二连杆偏距计算得到所述第一关节角，计算公式为：其中，0p5x表示第五坐标系相对基坐标系在x轴方向的投影，单位为m；0p5y表示第五坐标系相对基坐标系在y轴方向的投影，单位为m；d2为所述第二连杆偏距，即表示沿Z2轴X1移动到X2的距离，单位为m；将第六坐标系相对于基坐标系进行位置变换，并根据所述末端齐次变换矩阵以及所述已知模型参数中第六连杆偏距和所述第二连杆偏距计算得到第五关节角，计算公式为：|0p6y-d4|≤d6其中，0p6x表示第六坐标系相对基坐标系在x轴方向的投影，单位为m；0p6y表示第六坐标系相对基坐标系在y轴方向的投影，单位为m；d6为所述第六连杆偏距，即表示沿Z6轴X5移动到X6的距离，单位为m；d4为所述第六连杆偏距，即表示沿Z6轴X5移动到X6的距离，单位为m。进一步地，上述基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中，所述根据所述第一关节角、所述第五关节角、所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到第六关节角，包括：以第六坐标系建立球面坐标系；根据所述第一关节角、所述第五关节角、所述末端齐次变换矩阵以及所述已知模型参数，通过球形几何解析算法得到第六关节角，计算公式为：Y1表示第一坐标系中的Y轴，使用表示将Y1映射到第六坐标系中的Y1，使用球面坐标系表示得到公式：使用已知的表示得到公式：θ6＝atan2(w1，w2)其中，其中，表示的第一列中的x(第一个元素)值；表示的第一列中的y(第二个元素)值；表示的第一列中的z(第三个元素)值；表示的第一行中的x(第一个元素)值；表示的第一行中的y(第二个元素)值；表示的第一行中的z(第三个元素)值。进一步地，上述基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中，所述步骤基于所述第一关节角、所述第五关节角、所述第六关节角以及末端齐次变换矩阵，结合第二旋转轴、第三旋转轴以及第四旋转轴之间的平行关系计算得到第三关节角、第二关节角以及第四关节角，包括：基于所述第一关节角、所述第五关节角、所述第六关节角得到第一坐标系相对基坐标系齐次变换矩阵、第五坐标系相对于第四坐标系齐次变换矩阵、第六坐标系相对于第五坐标系齐次变换矩阵，同时结合所述末端齐次变换矩阵通过几何关系求解得到所述第三关节角和所述第二关节角，公式如下：其中，a2表示第三连杆长度；a3表示第四连杆长度；1p4z表示第四坐标系相对基坐标系在z轴方向的投影，单位为m；1p4x表示第四坐标系相对基坐标系在x轴方向的投影，单位为m；根据所述第一关节角、所述第五关节角、所述第六关节角、所述第三关节角以及所述第二关节角得到第四坐标系相对于第三坐标系齐次变换矩阵，取所述第四坐标系相对于第三坐标系齐次变换矩阵的第一列通过计算得到所述第四关节角，公式如下：其中，表示的第一列中的y(第二个元素)值；表示的第一列中的x(第一个元素)值。与现有技术相比，本申请通过基于六轴机器臂的姿态信息建立所述六轴机器臂的连杆坐标系模型；获取末端坐标系相对基坐标系的末端齐次变换矩阵；基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到运动学逆解，即通过建立所述六轴机器臂D-H模型，采用结合球面几何的解析法分析其逆运动学方程式，在机器人操作系统(ROS，RobotOperatingSystem)中进行代码的编写最终求得运动学逆解，将解析法的计算快速性与球面求解的灵活性结合，提高求解的快速性同时也提高了机器臂姿态的灵活性。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1示出根据本申请的一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法的流程示意图；图2示出根据本申请的一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中连杆坐标系模型示意图；图3示出根据本申请的一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中第五坐标系相对基坐标系位置示意图；图4示出根据本申请的一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中基坐标系与第五坐标系几何关系示意图；图5示出根据本申请的一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法中基坐标系与第六坐标系几何关系示意图；图6示出根据本申请的一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法，其特征在于，所述方法包括：/n基于六轴机器臂的姿态信息建立所述六轴机器臂的连杆坐标系模型；/n获取末端坐标系相对基坐标系的末端齐次变换矩阵；/n基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到运动学逆解。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于球面几何解析法的机器臂逆解方法，其特征在于，所述方法包括：
基于六轴机器臂的姿态信息建立所述六轴机器臂的连杆坐标系模型；
获取末端坐标系相对基坐标系的末端齐次变换矩阵；
基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到运动学逆解。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于六轴机器臂的姿态信息建立所述六轴机器臂的连杆坐标系模型之后，还包括：
获取所述连杆坐标系模型的所述已知模型参数；
所述已知模型参数包括连杆转角、连杆长度、连杆偏距。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到运动学逆解，包括：
基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，根据相对坐标系位置变换求解得到所述六轴机器臂的第一关节角和第五关节角；
根据所述第一关节角、所述第五关节角、所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，通过球形几何解析算法得到所述六轴机器臂的第六关节角；
基于所述第一关节角、所述第五关节角、所述第六关节角以及末端齐次变换矩阵，结合第二旋转轴、第三旋转轴以及第四旋转轴之间的平行关系计算得到第二关节角、第三关节角以及第四关节角。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述末端齐次变换矩阵以及已知模型参数，根据相对坐标系位置变换求解得到所述六轴机器臂第一关节角和第五关节角，包括：
将第五坐标系相对于基坐标系进行位置变换，并根据所述末端齐次变换矩阵以及所述已知模型参数中第二连杆偏距计算得到所述第一关节角，计算公式为：



其中，0p5x表示第五坐标系相对基坐标系在x轴方向的投影，单位为m；0p5y表示第五坐标系相对基坐标系在y轴方向的投影，单位为m；d2为所述第二连杆偏距，即表示沿Z2轴X1移动到X2的距离，单位为m；
将第六坐标系相对于基坐标系进行位置变换，并根据所述末端齐次变换矩阵以及所述已知模型参数中第六连杆偏距和所述第二连杆偏距计算得到第五关节角，计算公式为：

|0p6y-d4|≤d6
其中，0p6x表示第六坐标系相对基坐标系在x轴方向的投影，单位为m；0p6y表示第六坐标系相对基坐标系在y轴方向的投影，单位为m...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘群坡，刘广辉，王海星，费树岷，张建军，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41