基于空间六自由度机械臂的逆运动学数值解法

《基于空间六自由度机械臂的逆运动学数值解法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2016年第3期导弹与航天运载技术No．32016文章编号：1004—7182(2016)03-008

2、-04DOh10．7654／j．issn．1004—7182．20160319基于空间六自由度机械臂的逆运动学数值解法张栩曼，张中哲，王燕波，杨涛，邓涛(北京精密机电控制设备研究所，北京，100076)摘要：针对解析法只能用于特殊构型的机械臂且求解过程复杂、计算量大的f*-l题，提出一种适用于大多数串联型机械臂的数值迭代逆运动学求解方法。利用该方法，求解自主研发的空间六自由度机械臂的运动学逆解，并通过仿真证明该方法的可靠性。关键

3、词：空间机械臂；数值迭代；正逆运动学中图分类号：V476文献标识码：AInverseKinematicalNumericalMethodBasedon6-DOFSpaceManipulatorZhangXu—man，ZhangZhong-zhe，WangYan-bo，YangTao，DengTao(BeijingInstituteofPrecisionMechanicalandElectricalControlEquipment，Beijing，100076)Abstract：Analyticalmethodisonlyappli

4、cabletothemanipulatorswithspecialstructureandthesolvingprocessiscomplicatedwithalargeamountofcalculation．Aimingatthisproblem，akindofinversekinematicalitemtivemethodisproposedformostserialmanipulators．Thismethodisusedtoobtaintheinversekinematicssolutionofa6-DOFspaceman

5、ipulatorwhichisindependentlyresearchedanddeveloped．Thenthereliabilityofthismethodisprovedthroughthesimulation．Keywords：Spacemanipulator；Numericiteration；ForwardkinematicsandinversekinematicsO引言机械臂正运动学和逆运动学的求解是机械臂实际控制中需要解决的基本问题。其中逆运动学的求解比正运动学的求解更加复杂，对于不同的机械臂构型没有标准的求解方法

6、和步骤。一般机械臂逆运动学的求解方法主要有解析法、数值迭代法、几何法等。解析法的优势在于使用该方法可以求解出所有的根，还可以证明根不存在的情况；缺点在于这种方法一般都非常的繁琐，需要大量的计算。数值迭代法的优势在于使用这种方法计算相对简单，可以求解出大部分机械臂的逆解⋯，但每次迭代在给定预期初值的情况下，最终只能获得一组解，如果解不存在，数值迭代将无法收敛。几何法可以对某些特殊的臂型进行简化，并利用几何关系求解，但是它一般需要和解析法配合使用¨qJ。Pieper证明了有相邻的3根关节轴交于一点的六自由度机械臂存在封闭解【4】。Du

7、厨证明了有相邻3根关节轴平行的六自由度机械臂存在封闭解【5]。现在市场上的工业机器人几乎都有3根相交轴，一般都可以利收稿日期：2015—03．15；修回日期：2015-05．10作者简介：张栩曼(1990．)．女，助理工程师，主要研究方向为空间机器人用解析法求得所有的封闭解，再采用其他方法从中选取一组较优的可行解16J。姜宏超等【7J针对六自由度模块化机械臂利用解析法求解出了全部逆解。李宪华⋯、刘金存【2】、张金涛【3】都是利用解析法和几何法结合的方法求解出了六自由度机械臂的全部逆解。但是对于一些不是此种构型的、难以用解析法求其逆

8、解的机械臂，需要一种比较通用的求解方法。本文所研究的空间机械臂固连在飞行器本体上组成空间机器人，用于实现空间碎片抓捕、在轨服务等任务。空间机械臂工作在失重的环境中，关节转动惯量不会由前级向后级累加，因此设计成由6个相同的模块化关节和臂杆连接组成的模块化六自由度空间机械臂。由于本文空间机械臂安装范围、重量指标的限制以及工作范围的要求，机械臂无法设计成有3根相交轴的结构，因此采用图l所示的特殊构型。该构型在逆运动学的求解问题上存在一定的难度和特殊性，使用解析法计算难以找到一组独立不相关的变量。因此本文使用一种数值迭代的方法求其运动学逆

9、解。图l空间机器人1正运动学模型的求解1．1运动学模型的建立要研究机械臂的运动，就必须建立它的运动学模型，再通过运动学模型求解正、逆运动学。一般通过建立关节坐标系，用数学方法抽象机械臂实体，描述机械臂相对基坐标系的位置和姿态。本文使用通用的D．H参