基于旋量理论的六自由度机械臂逆解算法

机器人求逆解过程中主要采用D-H参数法和旋量法来建立机器人运动学模型。D-H参数法机器人运动学分析中应用较多,但由于D-H参数法需要在每个关节处建立坐标系,因此建模过程较为繁琐。旋量法中机器人各连杆坐标系相对于底座建立,建模较为方便并且几何意义更明确。基于旋量理论建立的机器人运动学模型,其逆解一般采用Paden-Kahan子问题方法进行求解。针对6R模块化机械臂,该机械臂后3个关节轴线相交于一点,基于旋量理论建立机械臂的运动学模型,利用几何关系与Paden-Kahan子问题,对该机械臂进行了逆运动学求解,得到了该机械臂的解析解。利用Matlab编制运动学算法程序,验证了逆解算法的正确性。     

基于旋量理论和Paden-Kahan子问题的6自由度机器人逆解算法

机器人逆解中运动学模型的建立主要采用Denavit-Hartenberg(D-H)参数法和旋量法。D-H参数法相对成熟,在机器人运动学分析中得到广泛应用。旋量法实际应用相对较少,但旋量法中机器人各连杆坐标系相对于底座建立,具有明确的几何意义。基于旋量法建立起的机器人运动学模型,其逆解常采用Paden-Kahan子问题方法加以求解,单纯的Paden-Kahan子问题法只能解决低自由度机器人的逆解。针对后三个关节相交于一点的6自由度关节机器人,基于旋量理论建立起机器人运动学模型,利用经典消元理论和Paden-Kahan子问题相结合的方法,提出一种机器人运动学逆解算法,并给出此类机器人运动学逆解的显式求解结果。以库卡KR-150机器人为例,利用该算法进行运动学逆解,验证了算法的正确性。     

基于新几何子问题的6R机械臂逆运动学分析

针对已有几何子问题对工业机械臂逆运动学分析通用性差且计算效率低的问题,提出了一种全新的几何子问题,并基于此开展了6R机械臂逆运动学分析研究。首先,简要叙述了已有的经典Paden-Kahan子问题;然后,在总结已有子问题不足的基础上,提出了用于求解通用6R工业机械臂逆运动学的新几何子问题,即单点绕3个轴线顺序旋转,并给出子问题的求解步骤;进一步,基于旋量理论及所提出的子问题,给出了求解工业机械臂逆运动学解的流程;最后,通过仿真和物理实验,验证所提子问题对于不同类型的6R机械臂逆运动学求解的适用性,并与文献中的已有方法进行了对比分析。研究结果表明,与已有基于旋量理论的方法相比,对于含有/不含有肩部偏移、前两个关节轴线相交/不相交的各类工业机械臂逆运动学求解问题,所提方法在通用性及计算效率上更加优良,且能够有效应用于实际机械臂的实时轨迹控制。     

基于几何法和旋量理论的6自由度机器人逆解算法

针对6自由度串联机器人运动学逆解求解过程复杂、几何意义不明确的问题,提出一种基于几何法和旋量理论相结合的求解方法。基于旋量理论建立机器人的运动学模型,其运动学逆解常采用Paden-Kahan子问题加以求解,但针对前3个关节轴线均不相交的机器人,难以用现有的子问题进行求解。因此,采用一种几何解法进行前3个关节角度的求解。针对后3个关节轴线相交于一点的问题,采用Paden-Kahan子问题进行求解,最终推导出此类机器人运动学逆解的封闭解。以ABB1410机器人为例进行算法验证,验证了此算法的有效性和可行性。     

基于旋量理论的三指机器人灵巧手逆运动学分析

为提高三指机器人灵巧手逆运动学的求解效率,提出了基于旋量理论的逆运动学新的求解算法。以Shadow三指灵巧手为例,在无法直接利用单纯的Paden-Kahan 子问题求解逆运动学的条件下,食指（无名指）的逆解采用Paden-Kahan子问题与代数解相结合的算法,拇指的逆解采用数值法与Paden-Kahan子问题相结合的算法。最后通过计算实例证明了算法的有效性和可行性。该算法在保证精度的前提下,几何意义明显,耗费时间短,效率高。     

结合旋量和代数方法的工业机械臂逆运动学解法

针对工业机械臂逆运动学解算的问题,提出一种结合旋量方法和代数方法的逆运动学新解法。通过旋量的方法将工业机械臂整体逆运动学问题进行分解,利用Paden-kahan逆运动学子问题求解。并在该基础上利用工业机械臂的结构特点,利用代数方法进一步简化末端腕部三个关节的问题求解。以安川公司MH6六自由度工业机械人为例,验证算法正确性。实验表明:该方法可以获得正确的八组逆解并在旋量解逆运动学的基础上有效减少了中间计算步骤,降低了时间复杂度和空间复杂度。     

基于旋量和消元法结合的牛仔面料打磨机器人运动学分析

针对传统D-H法进行机器人运动学分析过程中计算复杂、奇异性等问题。采用旋量理论建立牛仔面料打磨机器人的运动学模型,应用Paden-Kahan子问题法对逆运动学进行分析时,由于轴线交点不足,子问题算法受限,所以将消元法和子问题算法相结合对逆运动学问题进行分析,关节1角度采用Paden-Kahan子问题求解,剩余关节角度采用消元法求解,完成逆运动学求解。以牛仔面料打磨机器人为研究对象,验证算法正确性。仿真结果表明:该方法运算过程简单,计算误差较低,可为机器人在牛仔面料打磨过程中的运动控制提供理论依据。     

基于旋量法的可变形六足机器人腿部运动学分析

为增加腿部的灵活性在普通六足机器人腿部设计了一个变形关节,该腿部具有四个关节,根关节、髋关节、膝关节和变形关节。利用旋量理论与指数积方法建立腿部运动学模型,计算足端运动学正解;针对腿部后两关节轴线交于一点的特点,结合经典消元理论和Paden-Kahan子问题方法计算其运动学显式逆解;基于旋量法计算腿部的雅可比矩阵,利用MAPLE仿真验证了结果的正确。     

工业机器人逆解问题的旋量解法

运用旋量方法建立工业机器人运动学模型,提出一类子问题以求解通用的逆解算法。利用仿真软件DELMIA的机器人模型库,给出一种"特殊位形法"来求解机器人连杆参数。将机器人前三个关节运动定义为一类新的子问题,即已知点绕两个平行轴线和一个与前两个轴垂直的轴线旋转至定点的问题。结合经典的Paden-Kahan子问题,推导出机器人8组逆解的解析算式。以IRB1400弧焊机器人为例,验证算法正确性。仿真结果显示算法误差在10-12数量级,耗时不到0.12 ms,能够满足机器人控制系统高精度和实时性要求。     

基于POE和CSSA的冗余机械臂逆运动学求解方法

为提高7自由度冗余机械臂逆运动学求解精度,提出一种基于旋量指数积和混沌麻雀搜索算法的逆运动学求解方法。对一种7自由度仿人机械手臂建模,采用旋量指数积公式法建立机械臂正运动学方程并在MATLAB中进行验证。根据机械臂位置矢量和接近矢量构建适应度函数,利用混沌麻雀搜索算法求解冗余机械臂的逆解。在MATLAB软件中编写逆解算法程序,将求得的关节值代入所建立的正运动学模型,计算冗余机械臂末端期望位姿与实际位姿的误差。     

基于旋量理论的7自由度机械臂运动学建模与分析

机械臂模仿人手臂的7自由度会拥有冗余自由度.基于旋量理论计算7自由度机械臂的正向运动学解,从数值上验证矩阵指数先分块展开比直接泰勒展开准确.用Newton-Raphson数值迭代法求逆解.通过编写Matlab程序对正逆解互相验证.研究发现逆解的求解有适用范围,较之传统的D-H法,使用0螺距的螺旋轴,会使建模更加简洁.     

6-DOF抛光打磨机器人的旋量运动分析

针对叶片、汽车轮毂、水龙头等异型工件的抛磨工序长期以来都依赖于工人手工打磨的问题,研发了一款6-DOF机械手,与带有力反馈机构的砂带式抛磨机、上下料滑台、操作台等构成了自动抛光打磨系统。以旋量理论和指数积为基础,建立了6-DOF抛光打磨机器人的运动学模型,并对机器人运动学的正解过程进行分析和计算验证;结合经典的Paden-Kahan子问题法对机器人运动学的逆解过程进行分析和计算验证。计算结果表明:基于旋量理论建立的运动学模型是正确的,该模型可为实际的机器人在抛光打磨过程中的轨迹规划和运动控制提供理论依据。     

基于旋量和臂形标志的机器人运动学逆解计算

讨论了用旋量和指数积公式计算PUMA类型6自由度机器人运动学逆解的方法。在子问题的计算过程中，通过引入臂形标志来选取关节变量的合理解，以得到运动学逆解的唯一解。这种方法避免了对无效解的计算，可以减少计算量，提高计算效率。通过一个实验机器人的运动学逆解计算验证了算法的有效性。     

基于新旋量子问题改进一类6R串联机器人逆解算法

与传统工业串联机器人相比,后三个旋转关节轴线相交于一点、而前三个旋转关节轴线均不相交的六自由度串联机器人的工作空间较为完善,然而此类6R串联机器人逆解的求解较为复杂,限制了其应用。针对其逆解问题,提出一类新的Paden-Kahan子问题类型:将一点绕两个不相交且不平行的轴线依次旋转到指定点,以及其扩展问题类型:将一点绕两个不相交且不平行的轴线依次旋转直到该点到固定第一点和固定第二点的距离均为指定大小。通过构造与该点运动轨迹相垂直的垂直平面,推导和求解了该子问题的正解和逆解,结合其他已知的子问题,简化和求解此类6R串联机器人的逆解问题,并对其逆解的条件和数目进行讨论。与传统的消元法相比,采用该方法得到的逆解的几何意义更为明确、计算量少、求解效率更高,改进了此类6R串联机器人逆解算法。通过实例计算,验证了求解方法的有效性和可行性。     

基于对偶四元数的机械臂运动学建模及分析

为了简化机械臂运动学表达形式,提高机械臂运动响应速度,提出了一种基于对偶四元数的正逆运动学建模方法。首先,利用对偶四元数建立机器臂正运动学的普适性方程,大大减少了正运动学的计算时间。其次,针对机械臂关节变量求解组合的问题,对现有的子问题进行描述并分成单轴和双轴两类子问题,该分类方法囊括了现有子问题分类,有利于关节变量分组求解。最后,以一个6R串联机械臂为例,进行了基于对偶四元数的正逆运动学建模及仿真分析。结果表明该方法有效,相比旋量法,其正运动学计算时间减少了约30%,其逆运动学求解几何意义更加明确。该方法可应用到其他子问题求解的机械臂构型。     

线驱动拟人臂机器人逆向运动学分析

基于最新人臂仿生理论和并联机器人研究的成果,提出一种线驱动7-DOF冗余手臂的设计方案.线驱动机构具有高刚度、高精度、高负载能力的优点,可以克服常规串联机构的缺点.介绍这种新型线驱动拟人臂机器人具体的结构,利用旋量理论描述机器人运动,在绳索张力条件的约束下,分析肩关节的工作空间.针对7-DOF机器人的逆运动学求解问题,先采用关节速度再分配法求关节速度逆解;然后与Paden-Kahan子问题法相结合,取得具有冗余控制的位置逆解,求出在给定位姿时各关节角的角度;再由关节角与绳长的关系解出各关节处驱动绳索的长度,并分析肩关节运动对腕、肘关节的耦合影响.最后在ADAMS下进行仿真,采用直线插补算法,动画图形实时显示机器人的运动情况,证明逆向运动学算法的正确性.     

基于螺旋理论的蜗杆砂轮磨齿机空间误差建模及解耦补偿

为提点高六轴数控蜗杆砂轮磨齿机的加工精度,提出了基于螺旋理论的空间误差建模及解耦补偿方法。首先,用旋量对机床移动运动副与转动运动副进行了描述,在此基础上进行了六轴蜗杆砂轮磨齿机运动学建模及考虑41项几何误差的空间误差建模;基于Paden-Kahan子问题,对空间误差模型进行逆解,求解了各轴的补偿运动量。     

带指向机构二自由度机械臂的运动学分析

机械臂的正运动学以及逆运动学一直是机械臂研究领域的基础以及关键性问题,这里针对于一种带指向机构的二自由度机械臂,提出了一种基于几何法的运动学分析,根据机械臂的结构特点和运动约束,对机械臂的运动学进行分析,建立了该类型机械臂的运动学模型,通过几何方法得到了以关节角度为变量的运动学模型,并在理论推导的基础上编写该机械臂的分析界面,仿真验证了正运动学模型以及运动学逆解的正确性,运动学逆解可以用于机械臂指向机构的精确定位以及轨迹规划。     

基于Paden-Kahan子问题求解滚仰式导引头角增量

根据滚转俯仰双框架导引头的结构特点,对框架进行了运动学分析.基于Paden-Kahan子问题,给出了封闭形式的滚仰角增量求解算法.通过将导引头的滚仰角增量求解分解为两个规范的Paden-Kahan子问题使运动学逆解由两个简单的刚体运动组成,从而简化了滚仰角增量求解的复杂度.为避免运动学逆解不唯一,应用最小角增量准则对运...     

锚杆钻车串并联冗余机械臂的运动学研究

锚杆钻车机械臂的自动定位打孔可进一步提高巷道支护工艺的自动化作业程度。本文针对某锚杆钻车的串并联混合8自由度冗余机械臂的逆运动学问题展开研究。该机械臂有两大特点，一是串并联混合机构，臂在整体上为串联开链机构，但其大臂存在一个四边形的并联结构；二是冗余自由度，导致逆运动学存在无穷解。针对前者，为便于使用D-H法建立运动学模型，推导了并联结构的运动表达式，将其用一个等效的串联结构来替代。针对后者，详细分析了机械臂的结构与实际工况，设置了逆解的3个条件：1)为保证推进器获得最大打孔行程，设置定位油缸为最大伸长量；2)根据不同类型锚杆孔设定大臂四边形形状，可实现姿态补偿；3)优先使用中臂进行位置补偿，以尽量减少大臂的运动。在以上约束下提出基于位姿分离的逆运动学求解方案，得到的逆解结果充分利用了机械臂的设计特点，且兼顾人工操作过程的直观、方便性。为验证算法，针对一个矩形巷道断面的锚杆孔设计，通过计算机进行了逆解计算，计算精度与速度均有满意的结果；将算法部署到PLC上，在模拟巷道自动打孔试验，结果满足工程要求。