一种可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工业机器人路径规划领域，更具体地，设及一种可穿越腕部奇异点的 机器人路径规划方法。
【背景技术】
[0002] 工业机器人的路径规划方式主要有3种方式：
[0003] 1)示教器示教规划：通过示教器上的操纵杆和按钮控制机器人末端运动到指定 位置，记录下位姿信息，实现点位示教，再结合简单的直线或圆弧运动指令控制机器人末端 简单轨迹运动；
[0004] 2)引导示教规划：操作人员操作主机器人末端移动要相应位置，将关节角度变化 通过位置传感器记录下来直接传递给相同构造的从机器人，使之完成相似运动； 阳0化]3)离线编程规划：通过离线编程软件生成机器人和作业环境的3D模型，并通过 指定模型上的曲面曲线或者点位完成作业路径规划，再发送到机器人控制器中进行示教编 程，完成末端复杂轨迹运动。
[0006] 使用示教器进行路径示教是目前工业环境下最广泛使用的路径规划方式，具有操 作简单，存储信息少的特点，但是大部分只能完成直线或者圆弧的末端路径，一旦作业路径 变为复杂曲线，该方法就存在着示教点过多，设置耗时W及路径规划进度低的问题，因此无 法完成需要进行复杂路径规划的作业。
[0007]引导示教的路径规划方法无需复杂操作就可W准确的复现主机器人的运动轨迹， 但是因为坐标转换和运动学反解过程中奇异点的存在，要求只有从机器人必须与主机器人 具有完全相同的构型，并且基座标位置相同时，运动路径才能复现。而工业现场机器人形式 结构多样，要为每种从机器人配置相同结构参数的主机器人则会增加很多成本，局限了主 机器人的应用。
[0008] 基于离线编程路径规划集成功能全面，可W生成复杂路径，但是对操作人员知识 水平要求较高，不适应当前国内大部分制造行业生产工人的现状。同时需要对作业场景和 机器人生成3D模型，比较费时，同时3D模型也会影响生成路径的精度，因此应用不是很广 泛。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可穿越腕部奇异点的机 器人路径规划方法，其目的在于提供一种通过微调末端姿态，直接复现原路径中腕部奇异 点准确位置的路径规划方法，由此解决现有的工业机器人在遇到腕部奇异点时不能通过或 者成本较高的技术问题。
[0010] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可穿越腕部奇异点的机器 人路径规划方法，包括W下步骤：
[0011] 操作六自由度拖拽示教机器人的末端完成一次完整的作业，将基于该示教机器人 基座标的笛卡尔空间坐标信息实时记录，并根据记录将基于示教机器人基座标的路径点空 间坐标转换为基于工业机器人基座标的路径点空间坐标；
[0012] 进行运动学反解，对于工业机器人，当所述工业机器人当前位姿对应的关节变量 值处于腕部奇异区域边界且原始目标位姿对应的关节变量值在腕关节奇异区域W内时，贝U 对各关节变量进行W下处理：
[0013] 将腕关节的5轴和6轴固连，即
[0014]
[0015] 腕关节4轴按照如下参数设定
[0016]
[0017]其中δ04"id为从当前位姿到达原始目标位姿过程中关节运动所需的第四关节增 量值，Θ4"id为机器人当前位姿对应的第四关节变量值，Θ5为机器人原始目标位姿对应的第 五关节变量值，为机器人原始目标位姿对应的第六关节变量值，Θ5mi。为第五关节变量允 许的最小值，0 5。^为处理后的目标位姿的第五关节变量值，δΘ4。。"为机器人从当前位姿运 动到处理后的目标位姿对应的第四关节增量值，Θ4。。"为处理后的目标位姿的第四关节变 量值，Θ 为处理后的目标位姿对应的第六关节变量值；
[0018] 当路径点P相对于工业机器人基座标的笛卡尔空间位置坐标为：，>'，三-] 时，分别根据第Ξ连杆坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵和工具坐标系相对于连杆坐 标系W及工具坐标系相对于基坐标系的连杆变换矩阵之积计算第Ξ连杆坐标系相对于基 坐标系的位置矢量，并据此建立方程组如下：
[0019]
[0020]其中，Ci=cos目inew;S 1=sinΘinew;曰2分别为连杆1的长度参数，dz为连杆1，2 之间的偏置参数。为末端目标位置相对于工业机器人基座标的笛卡尔空间坐标，乃'?表 示第Ξ连杆坐标系相对于基座标系的旋转矩阵，表示工具坐标系相对于第Ξ连杆坐标 系的齐次变换矩阵，,,若贷表示工具坐标系相对于基座标系的旋转矩阵；
[0021] 对所述方程组进行求解获得θι。。。、0 2。。。、和0 3。。"，其中θι。。。为处理后的目标位 姿的第一关节变量值，0 2。^为处理后的目标位姿的第二关节变量值，Θ2。^%处理后的目标 位姿的第Ξ关节变量值； 阳02引根据θι。。。、0 2。。"、0 3。。"、0 4。。"、0 5。。"和Θe。。消出通过腕部奇异点的路径。
[0023] 优选地，所述路径规划方法，其当机器人位姿符合W下条件时判定机器人处于腕 部奇异区域：IΘ日I< 0日"。。
[0024] 优选地，所述路径规划方法，其对所述方程组进行泰勒展开后，采用牛顿迭代法求 解。
[00巧]总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 値效果：
[0026] (1)当工业机器人出现腕部奇异点时自动生成奇异点优化路径，通过调整姿态，直 接穿越奇异点，实现了位置的准确复现。
[0027] 似采用同一类型的示教机器人可W生成不同构型的六关节串联机器人的优化路 径，增加了示教机器人的应用范围，方便示教过程。
【附图说明】
[0028] 图1是穿越腕部奇异点的机器人路径规划流程图；
[0029] 图2是实例中所使用的机器人结构图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0031] 本发明提供的可穿越腕部奇异点的机器人路径规划方法，如图1所示，具体包括 W下步骤：
[0032] S1 :操作人员操作六自由度拖拽示教机器人的末端完成一次完整的作业，将基于 该示教机器人基座标的笛卡尔空间坐标信息实时记录在文件中。将基于示教机器人基座标 的路径点空间坐标转换为基于工业机器人基座标的路径点空间坐标；
[0033] 所述将采样点在示教机器人基座标的转换矩阵转换为在工业机器人基座标的转 换矩阵的公式如下：
[0034]
[0035] 式中，兴表示示教机器人基座标相对于工业机器人基座标的齐次变换矩阵，；Γ表 示第i个目标点在示教机器人基座标下的转换矩阵，琴为第i个目标点在工业机器人基 座标的转换矩阵。
[0036] S2 :对于6自由度机器人进行运动学反解得到原始目标位姿对应的关节变量组， 判断是否有位于奇异点区域内的路径点。 W37]Θ=[白 1，Θ2,白 3,白 4,白 5,白 6]
[0038] S3:如果奇异类型是臂关节和肩关节奇异，则采用奇异方向退化法求出关节变量 值来替换原关节变量作为奇异区域内的新关节值；如果根据腕关节奇异的判别条件得出奇 异类型为腕关节奇异，则固定5, 6关节的关节变量值，将6自由度机器人退化为4自由度机 器人，建立几何建模；
[0039] 设定腕关节奇异的判别条件为：
[0040] I目si< 0 5m"。
[0041] 对于工业机器人，如果所述工业机器人当前位姿对应的关节变量值处于腕部奇异 区域边界，且原始目标位姿对应的关节变量值在腕关节奇异区域W内，则需要对关节变量 值进行处理，保证处理后的关节变量不在腕部关节奇异区域内。此时各关节变量值对应的 机器人处理后的目标位姿虽然发生变化，但末端始终通过目标位置。对各关节变量进行的 处理如下：
[0042] 将腕关节的4, 5,6轴及连杆简化为绕4轴旋转的连杆，设定
[0043]
[0044] 腕关节4轴按照如下参数设定
[0045]
[0046]其中δ04"id为从当前位姿到达原始目标位姿过程中关节运动所需的第四关节增 量值，Θ4"id为机器人当前位姿对应的第四关节变量值，Θ5为机器人原始目标位姿对应的第 五关节变量值，为机器人原始目标位姿对应的第六关节变量值，Θ5mi。为第五关节变量允 许的最小值，0 5。^为处理后的目标位姿的第五关节变量值，δΘ4。。"为机器人从当前位姿运 动到处理后的目标位姿对应的第四关节增量值，Θ4。。"为处理后的目标位姿的第四关节变 量值，Θ 为处理后的