一种机器人的控制方法及机器人.pdf

本发明提供了一种机器人的控制方法，包括以下步骤：S1、运动学正、逆解，得到机械臂末端位姿在世界坐标系中的描述；S2、位姿信息插补，规划机械臂末端的运行轨迹，实现机械臂末端在操作空间按照规划好的路径完成预定任务；S3、关节空间运动规划，采用插补的形式约束机械臂末端的运行轨迹，实现精确的轨迹控制。本发明还提供了一种采用上述控制方法进行控制的机器人。本发明的有益效果是：有效控制了机械臂末端的运行轨迹，提高了机械臂末端的控制精度。

1.  一种机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、运动学正、逆解，得到机械臂末端位姿在世界坐标系中的描述；
S2、位姿信息插补，规划机械臂末端的运行轨迹，实现机械臂末端在操作空间按照规划好的路径完成预定任务；
S3、关节空间运动规划，采用插补的形式约束机械臂末端的运行轨迹，实现精确的轨迹控制。

2.  根据权利要求1所述的机器人的控制方法，其特征在于：在步骤S1中，采用几何解析的方法计算运动学逆解。

3.  根据权利要求2所述的机器人的控制方法，其特征在于：建立坐标系，设基座标原点X0,Y0,Z0,指向后三个关节交点的矢量P定义为
P＝P6-d6*a
其中P6为第6个坐标系原点的坐标，d6是DH参数，a是坐标变换矩阵T6(nsa)中的一列；
将矢量P投影至X1Y1平面，得到J1的方程
R=(Px2+Py2-a1)+pz2]]>
sinα=-PzR]]>
cosα=Px2+Py2-a1R]]>
cosβ=a22+R2-(a32+d42)2*a2*R]]>
sinβ=1-cos2β]]>
可以得到J1的解，它存在两个解：J1＝α+β；J1＝α-β，
把矢量P投影至X2Y2平面。得到J2的方程
R=(Px2+Py2+a1)+pz2]]>
sinα=-PzR]]>
cosα=Px2+Py2-a1R]]>
cosβ=a22+R2-(a32+d42)2*a2*R]]>
sinβ=1-cos2β]]>
J2存在两个解：J2＝α+β；J2＝α-β，
把矢量P投影至X3Y3平面。得到J3的方程
R=(Px2+Py2+a1)+pz2]]>
cosα=a22+(a32+d42)-R22*a2*a32+d42]]>
sinα=±1+cosα]]>
sinβ=d4a32+d42]]>
cosβ=a3a32+d42]]>
J3有两个解J3＝α-β J3＝α-β，
根据前三个关节角，解算关节4的值。把(X4,y4,Z4)投影至X3Y3平面，
可得：
sinJ4＝-agX3
cosJ4＝agY3
其中，X3、Y3是旋转矩阵T3的前两列；
解得：
J4=atansinJ4cosJ4]]>
关节5的解：
坐标系(X5,Y5,Z5)投影至平面X4Z4，得：
sinJ5＝-agX4
cosJ5＝agY4
其中，X4、Y5是旋转矩阵T5的前两列；
解得：
J5=atansinJ5cosJ5]]>
同理，把关节6的坐标系(X6,Y6,Z6)投影至平面X5Y5得：
sinJ6＝ngY6
cosJ6＝sgY6
J6=atansinJ6cosJ6.]]>

4.  根据权利要求1所述的机器人的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，按照参数设定的速度、加速度，对机器臂末端从当前位姿移动到指定位姿的运动进行插补。

5.  根据权利要求1所述的机器人的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，采用直线插补、圆弧插补、NURBS曲线直接插补进行位姿信息插补。

6.  根据权利要求1所述的机器人的控制方法，其特征在于：在步骤S3中，关节空间运动规划是指，当机器臂末端需要从起始点以任意轨迹运动到终止点时，根据给定参数及起始点、终止点各关节角度，进行关节空间路径规划，返回下一时刻各关节期望角度。

7.  一种采用权1至权6中任一项控制方法进行控制的机器人，其特征在于：包括六自动度机械臂、控制器和示教盒，所述控制器分别与所述六自动度机械臂、示教盒连接。

一种机器人的控制方法及机器人
技术领域
本发明涉及机器人，尤其涉及一种机器人的控制方法及机器人。
背景技术
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。在国外,工业机器人技术日趋成熟,己经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用,从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名工业机器人公司。目前,国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANULC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KU KA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的工IGM公司。
我国的工业机器人从20世纪80年代开始起步，经过二三十年的发展，有了很大的进步，进入21世纪，随着国内机器人需求的迅猛增长，先后涌现出安徽埃夫特、南京埃斯顿、安徽巨一、广州数控等上海沃迪、青岛软控、山东帅克、广州万世德等一批从事工业机器人生产的企业。目前专门从事机器人产业的公司有200多家。在国家经济快速增长的拉动下，我国工业机器人市场从2004年开始加速，年均增长率高达40％，成为全球机器人市场增长最快的国家。根据国际机器人联合会的统计，2012年，我国工业机器人新安装22987台(数据不包括国内厂商和富士康的生产数量)，仅次于日本，排在第二位。从2006年到2012年，我国工业机器人年安装量增加了4倍，在世界工业机器人50年的发展史中，没有哪一个国家工业机器人安装量增长如此之快。预计到2016年,我国工业机器人新安装量将达到38000台。
现有机器人存在以下缺陷：路径规划插补算法解决机器人在空间的运动轨迹规划问题，目前的规划算法主要采用线形插补、圆弧插补和曲线插补等技术，基本思路是在空间坐标系中对机械臂末端路径进行分解，形成期望的路径，然后由控制器进行控制。其缺陷是末端在规划点之间的运行路径缺少约束，导致该段的运行轨迹难以控制
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种运行轨迹较容易控制的机器人的控制方法及机器人。
本发明提供了一种机器人的控制方法，包括以下步骤：
S1、运动学正、逆解，得到机械臂末端位姿在世界坐标系中的描述；
S2、位姿信息插补，规划机械臂末端的运行轨迹，实现机械臂末端在操作空间按照规划好的路径完成预定任务；
S3、关节空间运动规划，采用插补的形式约束机械臂末端的运行轨迹，实现精确的轨迹控制。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，采用几何解析的方法计算运动学逆解。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，按照参数设定的速度、加速度，对机器臂末端从当前位姿移动到指定位姿的运动进行插补。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，采用直线插补或者圆弧插补进行位姿信息插补。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，关节空间运动规划是指，当机器臂末端需要从起始点以任意轨迹运动到终止点时，根据给定参数及起始点、终止点各关节角度，进行关节空间路径规划，返回下一时刻各关节期望角度。
本发明还提供了一种采用上述中任一项控制方法进行控制的机器人，包括六自动度机械臂、控制器和示教盒，所述控制器分别与所述六自动度机械臂、示教盒连接。
本发明的有益效果是：通过上述方案，有效控制了机械臂末端的运行轨迹，提高了机械臂末端的控制精度。
附图说明
图1是本发明一种机器人的示意图；
图2是本发明一种机器人的控制方法的采用几何解析的方法计算其逆解的原理图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
一种机器人的控制方法，包括以下步骤：
S1、运动学正、逆解，得到机械臂末端位姿在世界坐标系中的描述；
S2、位姿信息插补，规划机械臂末端的运行轨迹，实现机械臂末端在操 作空间按照规划好的路径完成预定任务；
S3、关节空间运动规划，采用插补的形式约束机械臂末端的运行轨迹，实现精确的轨迹控制。
运动学正/逆解，运动学正解是指依据各关节的角度，实时计算出对应的机械臂末端位姿在世界坐标系中的描述。与此相反，运动学逆解是指依据机械臂末端位姿在世界坐标系中的描述计算出各个关节的角度。目前运动学正解主要采用齐次变换的方法进行运算，常用的方法是D-H法，该方法可以给出运动机构的正解。相比较而言运动学逆解则显得比较复杂，也是众多研究的热点，在本发明中采用几何解析的方法计算其逆解，如图2所示，其实现原理如下:
依据所建坐标系，设基座标原点(X0,Y0,Z0),指向后三个关节交点的矢量P定义为
P＝P6-d6*a         (8)
其中P6为第6个坐标系原点的坐标，d6是DH参数，a是坐标变换矩阵T6(nsa)中的一列。
将矢量P投影至X1Y1平面。得到J1的方程
R=(Px2+Py2-a1)+pz2]]>
sinα=-PzR]]>
cosα=Px2+Py2-a1R]]>
cosβ=a22+R2-(a32+d42)2*a2*R]]>
sinβ=1-cos2β]]>
可以得到J1的解，它存在两个解：J1＝α+β；J1＝α-β(9)
把矢量P投影至X2Y2平面。得到J2的方程
R=(Px2+Py2-a1)+pz2]]>
sinα=-PzR]]>
cosα=Px2+Py2-a1R]]>
cosβ=a22+R2-(a32+d42)2*a2*R]]>
sinβ=1-cos2β]]>
J2存在两个解：J2＝α+β；J2＝α-β         (10)
把矢量P投影至X3Y3平面。得到J3的方程
R=(Px2+Py2+a1)+pz2]]>
cosα=a22+(a32+d42)-R22*a2*a32+d42]]>
sinα=±1+cosα]]>
sinβ=d4a32+d42]]>
cosβ=a3a32+d42]]>
J3有两个解J3＝α-βJ3＝α-β      (11)
根据前三个关节角，解算关节4的值。把(X4,y4,Z4)投影至X3Y3平面，可得：
sinJ4＝-a·X3
cosJ4＝a·Y3
其中，X3、Y3是旋转矩阵T3的前两列；
解得：
J4=atansinJ4cos J4---(12)]]>
关节5的解：
坐标系(X5,Y5,Z5)投影至平面X4Z4，得：
sinJ5＝-a·X4
cosJ5＝a·Y4
其中，X4、Y5是旋转矩阵T5的前两列；
解得：
J5=atansinJ5cosJ5---(13)]]>
同理，把关节6的坐标系(X6,Y6,Z6)投影至平面X5Y5得：
sinJ6＝n·Y6
cosJ6＝s·Y6
J6=atansinJ6cosJ6---(14)]]>
位姿插补目的是规划机器人末端的运行轨迹，实现机械臂末端在操作空间按照规划好的路径完成预定任务，其方法是按照参数设定的速度、加速度，对机器臂末端从当前位姿移动到指定位姿的运动进行插补,高精度的路径规划插补和控制算法是机器人控制的关键
机械臂系统精度主要由取决于三个方面，即机械误差、规划误差和控制误差，。其中规划误差和控制误差是影响系统绝对误差的重要因素，减小该误差不仅能有效提高系统的精度，也能提高机械臂末端运行轨迹的精度，是机器人控制的核心问题针对规划误差问题，本发明提出一种高精度的路径规划插补方法，它是基于绝对坐标系描述的运动规划，，采用直线插补、圆弧插补、NURBS曲线直接插补技术,其基本思想是基于采样时间同步插补，采样时间足够小时,能以任意精度逼近期望的运行路径，可以有效克服传统的轨迹规划方法。
现有商业化的机械臂关节控制方法大多采用PID控制算法，该方法的优点是简单通用，但缺点是它是一种基于误差反馈的线形控制方法，对机械臂这类具有非线性特征的系统而言，其控制效果还有一定的局限。为此本项目提出一种分数阶PID控制算法，它的理论基础是分数阶微积分，尽管分数阶微积分的发明与古典微积分几乎同时，然而其真正引起人们重视却只有二三十年的历史。特别是近年来，分数阶微积分理论在高能物理，反常扩散，材料力学，地球物理等领域得到了非常成功的应用。分数阶微积分相较于普通微积分更具一般性，其物理意义也更为深刻，将分数阶微积分引入PID控制理论，对PID控制本身就是一个重要的发展；由于分数阶微积分的独特优势，势必会提高PID控制的各方面性能，丰富PID控制的内容，有效提高机械臂系统的控制精度。
如图1所示，本发明还提供了一种应用上述控制方法进行控制的机器人，包括：
机械臂，该机械臂具有六个自由度，是典型的串联机械臂；
控制器；
示教盒；
控制软件，软件是机器人系统中不可或缺的部分，主要实现运动规划、位姿插补、伺服控制以及用户接口等功能，具体流程如图2所示。其运动学功能可概括为三个部分：(a)运动学正/逆解；(b)位姿信息插补；(c)关节空间的运动规划。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。