新型七自由度拟人手臂位置反解及轨迹规划

　　7自由度冗余手臂其相对于6自由度而言,具有避开奇异位置,克服关节极限和改善动态性能等特点。但传统的7自由度手臂都是串联的,电机都安放在关节处,这样就增加了机器人的惯性,使承载能力下降,速度不够灵活。采用并联关节作为关节,更符合人体手臂关节的特点,可以克服这些不利,在这方面也取得了一些成果[1, 2]。

　　冗余机器人已经有20多年的发展历史,其逆运动学的分析也形成了多种解法[3~5],而对于具有并联关节的冗余手臂研究很少。其位置反解可以首先按照常规的求解方法求得各个并联关节的输出角度,然后利用并联机构的反解来求得各个输入电机的输入角。轨迹规划就是根据作业任务的要求设计期望轨迹,然后求得各关节的运动规律。轨迹规划是控制系统研究的前提,对控制系统的研究有重要意义。笔者利用虚拟样机技术对其进行轨迹规划,并验证了反解的计算过程,避免了繁琐的公式计算。

　　1　设计思想

　　关节的设计在拟人手臂的设计中很重要,决定了机械手臂的灵活度精度和承载特性。并联机构具有刚度好、精度高、动态性好、机构紧凑的特点[6]。研究人体关节的特点[7]发现其结构更符合并联关节的特点。球面三自由度具有3个转动自由度,能够实现肩关节的3个Roll-Pitch-Yaw运动。两自由度5R球面并联机构能够实现两个方向的转动,可以作为肘关节和腕关节。采用并联关节作为关节更符合人手臂的特点,可以使设计紧凑,电机直接驱动杆件而避开复杂的齿轮传动,从而避开串联电机带来的惯性大,精度低等缺点,是真正的拟人。

　　7自由度拟人手臂的CAD模型如图1。三自由度并联球关节作为肩关节,可以实现大臂绕X, Y,Z这3个旋转运动。肘关节为两自由度并联球面机构Ur,可以实现小臂的绕Z, Y的旋转,腕关节为两自由度并联球面机构Ur,可以实现手掌绕X,Y的旋转运动。

　　2　各关节结构分析

　　2·1　肩关节

　　肩关节用3-RRR并联球面机构,对此机构其分析已经很成熟[6]。3自由度并联球面机构有多种形式,我们采用的是如图2模型,其特点是:机构参数连接下平台的3个运动副、中间的3个运动副和连接上平台的3个运动副的参考中心也分布在3个不同的同心球面上,连接上平台的3个运动副的参考中心所在球面的半径最小,依次类推,连接下平台的3个运动副的参考中心所在球面的半径最大。其优点是刚性高,工作空间大,工作空间对称。该模型的缺点在于外形尺寸较大[1]。机构参数如下:α1=α2=90°,β1=60°,β2=45°。图2　肩关节3-RRR CAD模型。

　　2·2　肘关节和腕关节

　　肘关节和腕关节都采用Ur球面机构。Ur为球面2自由度并联机构,为空间5杆机构,所有的运动副均为转动副,其轴线皆汇交于一点O;两个主动转动副即旋转电机放置于同一平面且固定,电机轴互相垂直,相交于球心O,动平台只能做围绕球心O的旋转运动,作为肘关节和腕关节的输出平台位置不同。如图3和图4分别为肘关节UrCAD模型和腕关节UrCAD模型。