可重构液压自伺服机器人关节DH参数库建立与运动学分析

书书书!#$年##月第%&卷第!#期机床与液压’()*+,-.//01*234(50+)6,789!#$:7;9%&,79!#!#!#&==?@9ABBC9##D&EE#9!#$9!#9#收稿日期!!#%DED!E基金项目!国家自然科学基金资助项目##$E#$国家重点实验室开放基金资助项目6F046G!#G’6G#!#作者简介!吴若麟#=EH%#&男&硕士研究生&研究方向为液压机器人及水压机器人’-DIJA;!$#$&%!H%HKLL9M7I’通信作者!蒋林&-DIJA;!@;NOP@;K#&9M7I’可重构液压自伺服机器人关节3G*参数库建立与运动学分析吴若麟!蒋林!张宏伟!刘晓磊!肖俊武汉科技大学机械自动化学院!湖北武汉%&E##摘要!提出了一种利用迭代法求解可重构液压自伺服机器人逆解的方法’对可重构液压自伺服机器人关节做了定义&得出了相邻两动力模块较优连接方式表$探讨了&个动力模块之间的连接方式&建立了3G*参数库一&再根据动力模块与末端执行器之间的连接方式建立了3G*参数库二$介绍了机械臂数学模型&并选定了一种构型&根据该构型便可确定与其相对应的3G*参数&并得到了该构型的正运动学方程组$最后通过迭代法求得了可重构液压自伺服机器人逆解&并利用(3(’6软件验证了逆解的可行性’仿真结果表明!利用迭代法求可重构液压自伺服机器人运动学逆解是切实可行的&且迭代法适用于任何构型求逆解’关键词!可重构液压自伺服机器人$3G*参数库$运动学逆解$迭代法中图分类号!.Q!%RR文献标志码!(RR文章编号!##D&EE#!#$#!#D#DH!$%&’(’)*+*(,-.(’(/01+’.2-13)*4+’45+3*6-4*)’+-7184’2/1-19:(;*7:49-=(’.2*%/5(’=2-7*29*(?:;:.:+@:-4+S54T7;AC&U+(,V0AC&W*(,V*7CXYZA&0+5[AJ7;ZA&[+(/UTC)7;;ZXZ7\’JMPACZ]OJC^(T_7IJ_A7C&STPJC5CA8Z]BA_O7\6MAZCMZJC^.ZMPC7;7XO&STPJC*T‘ZA%&E#&)PACJ#8.1+(’7+!(CA_Z]J_A8ZIZ_P7^\7]B7;8ACX_PZAC8Z]BZ7\]ZM7C\AXT]J‘;ZPO^]JT;AMBZ;\BZ]87]7‘7_YJBa]7a7BZ^(^Z\ACA_A7C7\]ZM7C\AXT]J‘;ZPO^]JT;AMBZ;\BZ]87]7‘7_BYJBXJ8Z&_Y7J^@JMZC_a7YZ]I7^T;Z7a_AITIM7CCZM_A7C_J‘;ZYJB7‘_JACZ^.PZM7CCZM_A7C‘Z_YZZC_PZ_P]ZZa7YZ]I7^T;ZBYJB^ABMTBBZ^&3G*aJ]JIZ_Z]B;A‘]J]O7CZYJBZB_J‘;ABPZ^&JC^_PZ3G*aJ]JIZ_Z]B;A‘]J]O_Y7YJBZB_J‘;ABPZ^JMM7]^ACX_7_PZM7CCZM_A7CI7^Z‘Z_YZZC_PZa7YZ]I7^T;ZJC^_PZZC^ZNZMT_7].PZIJ_PZIJ_AMJ;I7^Z;7\IZMPJCAMJ;J]IYJBAC_]7^TMZ^JC^JM7C\AXT]J_A7CYJBBZ;ZM_Z^&3G*aJ]JIZ_Z]BYJB^Z_Z]IACZ^JMM7]^ACX_7_PZM7C\AXT]J_A7C&JC^_PZM7C\AXT]JG_A7C7\_PZ\7]YJ]^bACZIJ_AMBZLTJ_A7CBYJB7‘_JACZ^cACJ;;O_PZAC8Z]BZ7\]ZM7C\AXT]J‘;ZPO^]JT;AMBZ;\BZ]87]7‘7_YA_P_PZA_Z]J_A8ZIZ_P7^YJBXJACZ^.78Z]A\O_PZ\ZJBA‘A;A_O7\_PZAC8Z]BZA_Z]J_A7CIZ_P7^\7]]7‘7_I7_A7C&_PZBAIT;J_ACX_ZB_YJBa]7MZZ^Z^‘O(3G(’6B7\_YJ]Z.PZBAIT;J_A7C]ZBT;_BBP7Y_PJ_TBACX_PZA_Z]J_A8ZIZ_P7^\7]B7;8ACX_PZbACZIJ_AMBAC8Z]BZ7\]ZM7C\AXT]J‘;ZPO^]JT;AMBZ;\BZ]87]7‘7_AB\ZJBA‘;Z&JC^_PZA_Z]J_A8ZIZ_P7^ABJaa;AMJ‘;Z_7JCOM7C\AXT]J_A7C7\_PZAC8Z]BZB7;T_A7C6*/A:(51!4ZM7C\AXT]J‘;ZPO^]JT;AMBZ;\BZ]87]7‘7_$3G*aJ]JIZ_Z]B;A‘]J]O$FACZIJ_AMBAC8Z]BZ$+_Z]J_A8ZIZ_P7^!前言随着机器人应用越来越普遍&其在全球化市场竞争日趋激烈&传统的按照某种要求来设计开发的机器人构型已很难满足实际需求了&人们迫切需要研究出一种新型机器人&这种机器人是由特定的模块组成&这些具有各种尺寸和性能特征的特定模块本身可相互替换&在按照一定的构型完成装配之后&可完成相应的各种不同的工作&这种可改变构型的机器人便是可重构模块化机器人(#)’目前&采用电机驱动的可重构机器人仍是主流&电机驱动虽然控制方便&但其具有输出力矩小与难以锁定在某处并保持一定力矩的缺点’随着机器人技术的发展&采用液压驱动不失为一个好的选择&液压传动可实现大力矩的输出*运动平稳*锁紧等优点’文中将以液压驱动的单叶片液压自伺服阀作为可重构机器人模块&并采用个模块按照一定的构型构成六自由度可重构液压自伺服机器人’近年来&国内外在可重构机器人构型方面也做了一些研究&取得了一些成果’)*/)4/,/和d+3(53Q(!)采用V(计算来如何选用自由度数及关节类型&并提出使用遗传算法VZCZ_AM(;X7]A_PI对可重构机器人进行构型设计’)-))(4-00+’和)*/G)4/,/等提出可利用全局优化的方法对机器人构型进行优化&因其可避免局部最优解&且鲁棒性较好(&D%)’于海波等($)研究了图论的相关理论&提出了一种基于图论的可重构机器人进行构型方法&并通过实例对该方法进行验证&结果表明&该方法有效可行’魏延辉等()为了研究机器人构型优化的相关问题&采用迭代算法与遗传算法相结合&最终确定了构型方法’赵广志等(H)首先分析了模块划分与重构之间的关系&在此基础上&采用拓扑构型方式对可重构模块进行构型&这种方法可实现所有构型’姜勇等人(E)提出了一种基于上层数据库和底层接口电路相结合的’44构型在线自主辨识方法&该方法可实现无人干预下快速实现可重构机器人构型的在线自主辨识’当可重构液压机器人构型确定之后&便可分析其运动学问题’对于运动学正解的分析&朱明朝等(=)先建立3G*参数&然后根据矩阵变换求得执行器末端位置坐标’吕晓俊等(#)采用了指数积公式法求得了与可重构机器人构型无关的正解’求解运动学逆解一般采用封闭解和数值解&其中&封闭解对计算机的求解精度与速度有一定要求&且在不知可重构机器人具体构型时难以求得逆解&而数值解则不存在这种情况&故可重构机器人的逆解求解普遍采用数值法’陈伟海等(##)采用螺旋理论对模块化冗余度机器人的运动学逆解做了具体分析&并通过实例进行了验证’综上所述&文中首先对可重构液压自伺服机器人关节做了定义&并研究了相邻动力模块组合方式的选择$接着通过探讨合理的构型组合方式来建立3G*参数库&且计算出任意构型可重构液压自伺服机器人的运动学方程&然后根据3G*参数库选定六自由度可重构液压自伺服机器人构型&最后提出了一种利用迭代法求解可重构液压自伺服机器人逆解的方法&并将求出的逆解输入到(3(’6软件中验证’#可重构液压自伺服机器人关节定义与相邻动力模块组合方式选择文中首先对可重构液压自伺服机器人关节进行定义&接着研究相邻动力模块的组合方式&并得出了相邻两动力模块较优连接方式表’#9#R可重构液压自伺服机器人关节定义可重构液压自伺服机器人可看做多个刚体通过转动副文中只讨论转动副&具有移动副的动力模块文中未设计#连接而成的一个运动链&文中将这些刚体称为关节’两关节之间通过转动副连接&且每个关节两端都是一转动副与其他关节相连接’而在实际情况中&可重构液压机械臂是由个动力模块和$个连杆模块组成&且每一个动力模块都具有一个转动副’在图#中的&模块可重构液压机械臂由动力模块!D#*连杆模块D#*动力模块!*连杆模块和动力模块!e#依次组合而成’图#R可重构液压自伺服机器人&模块结构简图若按照关节的定义&其实是动力模块!D#与连杆模块D#相连接的后半部分*连杆模块D#*连杆模块D#与动力模块!相连接的部分等&个部分是刚性连接&可认为是一个刚体&且两端具有两个转动副’这个刚体就定义为关节#D#’同理&动力模块!与连杆模块相连接的后半部分*连杆模块*连杆模块与动力模块!e#相连接的部分等&个部分是刚性连接&可以认为是一个刚体&这个刚体就定义为关节#&如图!所示’图!R可重构液压自伺服机器人&关节结构简图#9!R相邻可重构液压动力模块组合方式选择文中讨论的相邻两个动力模块都是只具有一个转动副的可重构液压回转模块和可重构液压摆动模块&其中两个动力模块可直接相互连接&也可在两个动力模块之间添加连杆模块相互连接’那么在两个动力模块直接相互连接这种情况下&假设两个动力模块之间有一个长度为的同轴式连杆模块’定义在上一级模块为模块!D#&一个连杆模块D#固定连接在动力模块!D#上&下一级模块为模块!&模块!连接在连杆模块D#’这样两个动力模块之间就会有一个同轴式连杆模块或者直角式连杆模块&两个动力模块和一个连杆模块会有E种连接方式&见表#&这E个连接方式结构简图如图&所示’表#R相邻两动力模块连接方式表组合动力模块!D#连杆模块D#动力模块!组合#回转模块同轴式回转模块组合!回转模块直角式回转模块组合&回转模块同轴式摆动模块组合%回转模块直角式摆动模块组合$摆动模块同轴式回转模块组合摆动模块直角式回转模块组合H摆动模块同轴式摆动模块组合E摆动模块直角式摆动模块+B+机床与液压第%&卷图&R相邻两动力模块连接方式图在表#和图&中&组合#的连接方式是回转模块!D#和回转模块!轴线在一根轴线上&就存在了相邻运动副功能重复的情况&这样回转模块!只起到了连杆作用’组合%的连接方式是摆动模块!连接在直角式连杆模块上&而摆动模块!自身就可实现一定角度范围内的弯曲摆动&摆动模块!连接在同轴式连杆模块上的连接方式也能替代摆动模块!连接在直角式连杆模块上的连接方式&并且直角式连杆模块尺寸和体积也较同轴式连杆模块大’组合*组合E的连接方式和组合%的连接方式情况类似&直角式连杆模块可用同轴式连杆模块代替&并且也不影响运动功能&但是可以减小尺寸和体积’综上所述&在后文将介绍的可重构液压自伺服机器人构型探讨中&组合#*组合%*组合和组合E这%种连接方式就已经确定有缺陷或可用其他连接方式更好的替代&所以构型中有这些连接方式&就可认为该构型是不会作为优化选择的’组合#*组合%*组合和组合E将不作为相邻两动力模块的连接方式’故相邻两动力模块的连接方式就选用组合!*组合&*组合%和组合H的连接方式&如表!’由表中可以看出&相邻两动力模块只有唯一一种连接方式&以方便下文讨论3G*参数库’表!R相邻两动力模块较优连接方式动力模块!D#连杆模块D#动力模块!回转模块直角式回转模块回转模块同轴式摆动模块摆动模块同轴式回转模块摆动模块同轴式摆动模块$相邻可重构液压自伺服机器人关节3G*参数库建立在文中已经介绍&连续&个可重构液压动力模块相连接&其中间会有两个完整的可重构液压自伺服机器人关节’而&个可重构液压动力模块参照表!&会有E种不同的连接方式&那么就会有E种不同的两关节连接的3G*参数&为了建立可重构液压自伺服机器人关节3G*参数库&下面将一一介绍由表!中确定的不同关节的连接方式’##回转模块D回转模块D回转