模块化六自由度机械臂逆运动学解算与验证-农业机械学报.pdf

２０１３年 ４月 农 业 机 械 学 报 第 ４４卷第 ４期 ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１３．０４．０４３ 模块化六自由度机械臂逆运动学解算与验证 １ １ １ ２ 李宪华 　郭永存 　张　军 　郭　帅 （１．安徽理工大学机械工程学院，淮南 ２３２００１；２．上海大学 ＣＩＭＳ＆机器人中心，上海 ２００４４４） 摘要：针对六自由度模块化串联机械臂，进行了正运动学求解，并提出了该种臂型的运动学逆解计算方法。从机械 臂的结构特点出发，采用 ＤＨ法进行结构建模，得到了正运动学模型。在逆运动学求解过程中，针对纯代数法找不 到该种臂型的独立不相关变量方程的问题，采用几何方法求解机械臂前３个关节、后 ３个关节使用反变换法求解， 通过给出解的组合原则，得到了该机械臂逆运动学的完整解析解。为满足机器人系统编程和实际控制需要，基于 ＶＣ＋＋编制了 ＭＦＣ的运动学算法程序，验证了正逆运动学求解的正确性，为机械臂精确定位和运动规划提供了必 要的前提条件。 关键词：模块化机械臂　正逆运动学　组合原则　逆解树 中图分类号：ＴＰ２４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１２９８（２０１３）０４０２４６０６ ＩｎｖｅｒｓｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＳｏｌｕｔｉｏｎａｎｄＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｏｄｕｌａｒ６ＤＯＦＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ １ １ １ ２ ＬｉＸｉａｎｈｕａ　ＧｕｏＹｏｎｇｃｕｎ　ＺｈａｎｇＪｕｎ　ＧｕｏＳｈｕａｉ （１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ２３２００１，Ｃｈｉｎａ ２．ＣＩＭＳ＆ＲｏｂｏｔＣｅｎｔｅｒ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄａｔ６ＤＯＦｍｏｄｕｌａｒｓｅｒｉａｌｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ｆｏｒｗａｒｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄａｎ ｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ， ａｆｏｒｗａｒｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＤＨｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｗｏｒｋｓｐａｃｅ．Ｉｎｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｏｌｖｉｎｇｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｉｒｒｅｌｅｖａｎｔｖａｒｉａｂｌｅｅｑｕａｔｉｏｎｃａｎｎｏｔｂｅ ｆｏｕｎｄｂｙｔｈｅｐｕｒｅａｌｇｅｂｒａｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｙｍｅｔｈｏｄｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆ ｔｈｅｆｉｒｓｔｔｈｒｅｅｊｏｉｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｌａｓｔｔｈｒｅｅｊｏｉｎｔｓｗｅｒｅｓｏｌｖｅｄｂｙｕｓｉｎｇａｌｇｅｂｒａｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｗａｓａｃｑｕｉｒｅｄｂｙｇｉｖｉｎｇｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎｓ． Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｏｆｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇａｎｄａｃｔｕａｌｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎＭＦＣｏｆＶＣ＋＋． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｏｄｕｌａｒｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　Ｆｏｒｗａｒｄａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　Ｔｒｅ