一种6R非球型手腕机器人逆运动学算法研究

doi:10.3901/JME.2022.19.068

机械工程学报 ›› 2022, Vol. 58 ›› Issue (19): 68-76.doi: 10.3901/JME.2022.19.068

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一种6R非球型手腕机器人逆运动学算法研究

罗任峰^1,2, 王旭浩³, 张大卫¹, 张培伦¹, 赵臣¹

1. 天津大学机械工程学院天津 300072;
2. 天津航天机电设备研究所天津 300301;
3. 中国民航大学航空工程学院天津 300300

收稿日期:2021-11-18 修回日期:2022-07-15 出版日期:2022-10-05 发布日期:2023-01-05
通讯作者: 王旭浩(通信作者)，男，1989年出生，讲师，硕士研究生导师。主要研究方向为工业喷涂机器人设计与应用技术，民航特种设备。E-mail：xh_wang@cauc.edu.cn
作者简介:罗任峰，男，1988年出生。主要研究方向为工业喷涂机器人。E-mail：1204110172@qq.com；张大卫，男，1962年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为喷涂机器人设计理论与应用技术，高挡数控机床精度设计与补偿技术、热误差主动控制技术，微纳制造技术。E-mail：medzhang1101@tju.edu.cn
基金资助:
中央高校基本科研业务费专项资金(3122020030)和天津市智能制造科技重大专项(15ZXZNGX00200)资助项目。

Inverse Kinematics Solution Algorithm of a 6R Robot with Non-spherical Wrist

LUO Renfeng^1,2, WANG Xuhao³, ZHANG Dawei¹, ZHANG Peilun¹, ZHAO Chen¹

1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;
2. Tianjin Aerospace Electromechanical Equipment Research Institute, Tianjin 300301;
3. Aeronautical Engineering College, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300

Received:2021-11-18 Revised:2022-07-15 Online:2022-10-05 Published:2023-01-05

摘要/Abstract

摘要： 6R非球型手腕喷涂机器人得到了越来越广泛的应用，然而这种机器人的结构不满足Pieper准则，导致该机器人的逆运动学求解困难。对此，提出了一种近似解析法和数值迭代法相结合的6R非球型手腕机器人逆运动学组合算法。首先，根据6R非球型手腕机器人的结构特点近似转化为6R球型手腕机器人，并以等效球型手腕机器人的逆运动学解析解作为近似解，采用基于运动学雅可比矩阵的数值迭代法求解6R非球型手腕机器人的逆运动学精确解。其次，针对等效变换引起机器人有效工作空间减小，从而导致算法失败的问题进行了分析，提出了基于目标位姿偏置的方法提高逆运动学算法的鲁棒性。最后，通过数值仿真验证了所提出的6R非球型手腕机器人逆运动学算法的可靠性和时实性。

关键词: 6R机器人, 非球型手腕, 喷涂机器人, 逆运动学

Abstract: The 6R spray painting robot with non-spherical wrist has been widely used. However, structure of this kind of robot does not satisfy Pieper-Criterion, leading to the inverse kinematics of this robot a very difficult problem. Then, an inverse kinematic algorithm for the 6R robot with non-spherical wrist is proposed by combining the approximate analytical solution and the numerical iterative method. Firstly, according to structure characteristics, the 6R robot with non-spherical wrist is transformed to a 6R robot with spherical wrist. By taking analytical solutions of the spherical wrist robot as approximate solutions, the Jacobian based iterative method is employed to derive the exact solutions of the 6R robot with non-spherical wrist. Secondly, failure of the proposed method caused by the reduction of the workspace due to structure transformation is analyzed. A target end configuration offsetting method is presented to improve the robustness of the proposed inverse kinematics algorithm. Finally, numerical simulations are carried out to prove the effectiveness and efficiency of the proposed inverse kinematic method for the 6R robot with non-spherical wrist.

Key words: 6R robot, non-spherical wrist, spray painting robot, inverse kinematics

中图分类号:

TP242

罗任峰, 王旭浩, 张大卫, 张培伦, 赵臣. 一种6R非球型手腕机器人逆运动学算法研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(19): 68-76.

LUO Renfeng, WANG Xuhao, ZHANG Dawei, ZHANG Peilun, ZHAO Chen. Inverse Kinematics Solution Algorithm of a 6R Robot with Non-spherical Wrist[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(19): 68-76.

参考文献

[1] 刘亚军，黄田. 6R操作臂逆运动学分析与轨迹规划[J].机械工程学报，2012，48(3):9-15. LIU Yajun，HUANG Tian. Inverse kinematics analysis and trajectory planning of 6R operating arm[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48(3):9-15.
[2] PIEPER D L. The kinematics of manipulators under computer control[D]. California:Stanford University，PhD Thesis，1969.
[3] DUFFY J. Analysis of mechanisms and robot manipulators[M]. London:Edward Arnold，1980.
[4] RAGHAVAN M，ROTH B. Inverse kinematics of the general 6R manipulator and related linkages[J]. Mechanical Design，1993，115(3):502-508.
[5] MANOCHA D，CANNY J. Efficient inverse kinematics for general 6R manipulators[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation，1994，10(5):648-657.
[6] 刘松国，朱世强，王宣银. 基于矩阵分解的一般6R机器人实时高精度逆运动学算法[J]. 机械工程学报，2008，44(11):304-309. LIU Songguo，ZHU Shiqiang，WANG Xuanyin. Real-time high-precision inverse kinematics algorithm for general 6R robot based on matrix factorization[J]. Journal of Mechanical Engineering，2008，44(11):304-309.
[7] HUSTY M L，PFUMER M，SCHRÖCKER H P. A new and efficient algorithm for the inverse kinematics of a general serial 6R manipulator[J]. Mechanism and Machine Theory，2007，42(1):66-81.
[8] QIAO S，LIAO Q，WEI S，et al. Inverse kinematic analysis of the general 6R serial manipulators based on double quaternions[J]. Mechanism and Machine Theory，2010，45(2):193-199.
[9] 吕世增，张大卫，刘海年. 基于吴方法的 6R机器人逆运动学旋量方程求解[J]. 机械工程学报，2010，46(17):35-41. LÜ Shizeng，ZHANG Dawei，LIU Hainian. Solving the screw equation of inverse kinematics of 6R robot based on Wu’s method[J]. Journal of Mechanical Engineering，2010，46(17):35-41.
[10] 孙恒辉，赵爱武，李达，等．基于新旋量子问题改进一类6R串联机器人逆解算法[J]. 机械工程学报，2016，52(1):79-86. SUN Henghui，ZHAO Aiwu，LI Da，et al. An improved inverse solution algorithm for a class of 6R serial robots based on the new spin quantum problem[J]. Journal of Mechanical Engineering，2016，52(1):79-86.
[11] ASADI-EYDIVAND M，EBADZADEH M M，SOLATI-HASHJIN M，et al. Cerebellum-inspired neural network solution of the inverse kinematics problem[J]. Biological Cybernetics，2015，109(6):561-574.
[12] KALRA P，MAHAPATRA P B，AGGARWAL D K. An evolutionary approach for solving the multimodal inverse kinematics problem of industrial robots[J]. Mechanism and Machine Theory，2006，41(10):1213-1229.
[13] KUCUK S，BINGUL Z. Inverse kinematics solutions for industrial robot manipulators with offset wrists[J]. Applied Mathematical Modeling，2014，38(7-8):1983-1999.
[14] WANG X，ZHANG D，ZHAO C. The inverse kinematics of a 7R 6-degree-of-freedom robot with non-spherical wrist[J]. Advances in Mechanical Engineering，2017，9(8):1-11.
[15] KHATIB O. A unified approach for motion and force control of robot manipulators:The operational space formulation[J]. IEEE Journal on Robotics and Automation，1987，3(1):43-53.
[16] CHO G R，LEE M J，KIM M G，et al. Inverse kinematics for autonomous underwater manipulations using weighted damped least squares[C]// Proceedings of 14th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI). Jeju:IEEE，2017，765-770.
[17] WU L，YANG X，MIAO D，et al. Inverse kinematics of a class of 7R 6-DOF robots with non-spherical wrist[C]// Proceedings of 2013 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Takamatsu:IEEE，2013，69-74.
[18] WANG X，ZHANG D，ZHAO C. Inverse kinematics of a 7R 6-DOF robot with nonspherical wrist based on transformation into the 6R robot[J]. Mathematical Problems in Engineering，2017，2017:1-12.
[19] WANG Y，ZHAO C，WANG X，et al. Inverse kinematics of a 7-DOF spraying robot with 4R 3-DOF non-spherical wrist[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems，2021，68:1-17.
[20] LI J，YU H，SHEN N，et al. A novel inverse kinematics method for 6-DOF robots with non-spherical wrist[J]. Mechanism and Machine Theory，2021，157:1-17.
[21] WU M，KUNG Y，LEE F，et al. Inverse kinematics of robot manipulators with offset wrist[C]// Proceedings of 2015 International Conference on Advanced Robotics and Intelligent Systems. Taipei，China:IEEE，2015，1-6.
[22] 齐有泉，李艳文，陈子明，等. 串联九自由度喷涂机器人及其运动学分析[J]. 机械工程学报，2020, 56(23):165-171. QI Youquan，LI Yanwen，CHEN Ziming，et al. Series nine-degree-of-freedom spray robot and its kinematics[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(23):165-171.
[23] 王超, 张文辉, 江洁，等. 基于Matlab/Adams的工业焊接机器人运动学分析与控制联合仿真[J]. 中国工程机械学报，2020，18(6):504-509. WANG Chao，ZHANG Wenhui，JIANG Jie，et al. Co-simulation of kinematic analysis and control of industrial welding robot based on Matlab/Adams[J]. Chinese Journal of Construction Machinery，2020，18(6):504-509.

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[1]	杨晓航, 赵智远, 李云涛, 徐梓淳, 赵京东. 基于可操作度优化的冗余机械臂逆运动学求解方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 22-33.
[2]	石建平, 徐永驰, 古训, 陈冬云. 面向冗余机械臂逆运动学问题的人工蜂群算法改进[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 60-70.
[3]	刘亚军, 訾斌, 潘敬锋, 钱森. 时变时延下喷涂机器人双边遥操作位姿控制策略[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 226-236.
[4]	赵京, 周振勇, 张自强. 冗余度机械臂的自运动流形计算及关节轨迹规划[J]. 机械工程学报, 2023, 59(5): 77-88.
[5]	张英, 冯征征, 李剑, 魏世民, 廖启征. 基于CGA的7自由度冗余机械臂逆运动学臂型角参数化方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(23): 68-75.
[6]	赵嘉浩, 訾斌, 王威, 李元, 徐锋. 刚柔复合驱动并联喷涂机器人机构设计与工作空间分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(15): 28-39.
[7]	钟献有, 王鹤霖, 刘成菊, 陈启军. 基于最小运动变换的臂角参数化冗余机械臂逆运动学求解方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(15): 40-49.
[8]	陈菲菲, 居鹤华, 刘潇晗. 一种高精度求解多轴机器人逆运动学的方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(1): 50-58.
[9]	张俊, 鲍雨菲, 方汉良, 宋亚庆. 新型5轴混联加工单元的后置处理算法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(1): 298-308.
[10]	陈菲菲, 居鹤华, 余萌, 康杰, 孙帅. 一种分析四元数及其在6R机械臂逆运动学中的应用[J]. 机械工程学报, 2022, 58(9): 31-40.
[11]	刘亚军, 訾斌, 王正雨, 游玮, 郑磊. 智能喷涂机器人关键技术研究现状及进展[J]. 机械工程学报, 2022, 58(7): 53-74.
[12]	赵智远, 赵京东, 赵亮亮, 杨晓航, 刘宏. 求解SSRMS构型空间机械臂逆运动学的方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(3): 21-35.
[13]	张英, 黄起能, 廖启征, 杨旭, 魏世民. 空间6R串联机械手逆运动学分析的新方法研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(19): 1-11.
[14]	白明, 张明路, 张赫, 庞淋峻, 赵杰. 面向高精度显微手术机器人的RCM机械臂误差补偿方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(18): 170-180.
[15]	刘志恒, 赵立军, 李瑞峰, 葛连正, 夏毅, 朱奎. 面向轮毂磨抛的手腕偏置机器人运动学快速求解方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(14): 126-136.