机器人坐标系建立的改进DH方法

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1、2014年10月农业机械学报第45卷第10期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．049*机器人坐标系建立的改进DH方法黄晓辰张明路张小俊李欣业张建华(河北工业大学机械工程学院，天津300130)摘要:针对DH法则建立机器人坐标系的局限性，提出一种建立在DH法则基础上的辅助方法———辅助坐标法。阐述辅助坐标法的构建方法，对其使用方法进行描述。通过实例，利用基于这种方法得到的解析解与数值仿真结果的对比，对这种方法的可行性进行了验证。研究表明，辅助坐标法可以解决复杂机械结构中使用DH法则构建坐标系易出错的问

2、题，同时能够解决使用DH法则构建坐标系不够灵活的问题。关键词:机器人运动学数值仿真DH法则辅助坐标法中图分类号:TH112文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)10-0313-06引言1辅助坐标法对机器人进行运动学分析，首先需要在机器人机器人运动学描述的是组成机器人各连杆与机各关节处建立坐标系，进而推导出基坐标系与末端器人关节之间的运动关系。建立机器人的运动学模坐标系之间的位姿关系，在此基础上，根据所建立的型，需要建立一种对机器人结构的描述方法，机器人全局坐标系分析机器人运动学的正逆解。机器人的可以看作是一组连杆的集合，连

3、杆之间通过运动副机械本体是机器人各系统的载体，是决定机器人性相连接。连接连杆的关节，约束它们之间的相对运能的最主要因素，其结构特征决定了机器人的运动动。以串联的机械臂为例进行解释，一般来说，串联［1］特性，一旦产生错误将会直接影响后续运动学分机器人机械臂的运动链由两类连杆组成:中间连杆［2］析。因此，在机器人本体上合理地建立机器人坐和终端连杆。将一个终端连杆作为基础连杆，然后标系，正确推导出位姿关系十分必要。连接关节，关节再连接中间连杆，然后连接关节，以建立机器人坐标系有两种方法最常用，DH法此类推，最后关节连接另外一个终端连杆(一般称［

4、3－13］则和旋量理论，DH法则应用广泛，旋量理论应为末端执行器)。连杆从基础连杆到末端执行器依［14－18］用较少。随着机器人机械结构的日趋复杂，使次编号为0，1，2，…，n，连接第i－1个连杆和第i个［19］用DH法则建立机器人坐标系可能会十分复杂连杆的运动副记作第i个关节，这样机械臂可以看甚至产生错误，直接对运动学分析产生影响，甚至会作是由n+1个连杆和n个关节组成。根据坐标系［20］出现机构与模型不一致的问题。DH法则的本质在关节建立位置的不同，DH法则中坐标系的建立是坐标变换，是将坐标系建立在机器人的移动或转通常可分为坐标系前置

5、法和坐标系后置法。坐标系动关节处，然后进行相应的坐标变换，得到关节变量前置法是指将第i个坐标系建立在第i个关节处，而参数表，代入运动方程获得解析解。使用DH法则坐标系后置法是指将第i个坐标系建立在第i+1个［21］对简单的机器人结构十分有效，但对复杂的机械结关节处。在本研究中，采用坐标系前置法。构可能会较复杂甚至产生错误。在上述前提条件下，为解决DH法则的局限性，为解决上述问题，本文提出一种建立在DH法提出一种建立在DH法则基础上的辅助坐标法，使则基础上的改进方法———辅助坐标法，使用这种方用这种方法可以解决上述问题，其建立步骤如下:法以

6、期可以弥补复杂机械结构对建立坐标的影响，(1)按照DH法则建立全局坐标系。并且能够根据实际需求灵活地建立机器人坐标系，(2)在按照DH法则建立坐标系较困难或需要有效降低推导难度，提高坐标系建立的准确性。额外建立坐标系的位置建立坐标系原点。收稿日期:2014-05-23修回日期:2014-06-20*国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA040201)作者简介:黄晓辰，博士生，主要从事机器人动力学分析和控制系统研究，E-mail:hxc_tj@hotmail．com通讯作者:张明路，教授，博士生导师，主要从事特种机器人机

7、构与应用技术和多智能体技术研究，E-mail:zhangml@hebut．edu．cn314农业机械学报2014年(3)在每个额外建立的坐标系原点位置插入两个新的坐标系，第1个新坐标系坐标轴的方向与将要插入辅助坐标系的上一个关节坐标轴方向保持相同，第2个新坐标系坐标轴的方向与将要插入辅助坐标系的下一个关节坐标轴方向保持相同。(4)根据新的全局坐标系建立新的关节变量参图2机器人底盘三维模型数表。在额外添加平移变换时，沿X、Y、Z轴移动的Fig．2Three-dimensionalmodelofrobotchassis两坐标系间的变换因子分别

8、为é100aiùê0100úTtra(X，ai)=êú(1)ê0010úêúë0001û1000éùê010búiTtra(Y，bi)=êú(2)ê0010úêúë0001û图3机器人底盘单腿