关节角参数化结合接近矢量可行方向的五自由度机械臂逆运动学求解

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220066

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (1): 16-21.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220066

所属专题： 2023年机械工程

关节角参数化结合接近矢量可行方向的五自由度机械臂逆运动学求解

万珍平¹ 罗钊¹ 陆龙生¹ 张端康¹赵明华²吕晓能²

^1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640
^2.广东南牧机械设备有限公司，广东云浮 527300

收稿日期:2022-02-21 出版日期:2023-01-25 发布日期:2023-01-02
通信作者: 万珍平（1971-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事高端装备制造研究。 E-mail:zhpwan@scut.edu.cn
作者简介:万珍平（1971-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事高端装备制造研究。
基金资助:
广东省重点领域研发计划项目(2021B0101220003)

Inverse Kinematics Solution of 5-DOF Manipulator via Joint Angle Parameterization and Feasible Direction of Approach Vector

WAN Zhenping¹ LUO Zhao¹ LU Longsheng¹ ZHANG Duankang¹ ZHAO Minghua² LÜ Xiaoneng²

^1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.Guangdong Nanmu Machinery Equipment Co. ，Ltd. ，Yunfu 527300，Guangdong，China

Received:2022-02-21 Online:2023-01-25 Published:2023-01-02
Contact: 万珍平（1971-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事高端装备制造研究。 E-mail:zhpwan@scut.edu.cn
About author:万珍平（1971-），男，博士，教授，博士生导师，主要从事高端装备制造研究。
Supported by:
the Research and Development Project in Key Areas of Guangdong Province(2021B0101220003)

摘要/Abstract

摘要：

五自由度的机械臂无法达到任意位姿，采用传统的位姿描述方式进行逆运动学求解时，极易产生无解的情况。文中以一种适用于清洁、喷涂、焊接等作业的、由4个旋转关节和1个移动关节构成的五自由度机械臂为例，建立运动学模型并进行逆运动学分析，在此基础上，提出一种关节角参数化结合接近矢量可行方向的逆运动学求解方法。该方法基于自由度约束的末端位姿描述，先通过关节角参数化将末端执行器的运动空间由三维降为二维，再采用几何法分析末端执行器在不同目标位置（远端、中间端、近端）时的接近矢量的可行方向，从而避免参数盲目取值，确保运动学逆解的存在，然后根据运动连续性和各关节的运动范围从中筛选出最优解。路径规划仿真结果表明，实际路径与规划路径非常吻合，关节运动平稳，证明了所提方法的可行性和准确性。文中研究的五自由度机械臂具有一定的代表性，逆运动学求解方法计算复杂度低，求解过程较为简便，求解思路可为欠自由度机械臂的逆运动学求解提供借鉴。

关键词: 机器人, 逆运动学, 五自由度机械臂, 几何法, 关节角参数化, 接近矢量

Abstract:

The manipulator with five degrees of freedom (5-DOF) cannot reach any pose, so it is easy to get no solution when the traditional pose description method is used to solve the inverse kinematics. In this paper, a 5-DOF manipulator consisting of four rotary joints and one prismatic joint, which is suitable for cleaning, spraying, welding and other operations, is taken as an example to establish a kinematic model and its inverse kinematic analysis is carried out. Then, an inverse kinematics solution method based on joint angle parameterization combined with the feasible direction of approach vector is proposed based on the end pose description of degree of freedom constraints. In this method, firstly, the motion space of the end executor is reduced from three dimensions to two dimensions through joint angle parameterization. Then, the feasible direction of the approach vector of the end executor at different target positions (distal, middle and proximal) is analyzed by geometric method, so as to avoid blind parameter setting and ensure the existence of inverse kinematics solutions. Thereafter, the optimal solution is selected according to the motion continuity and motion range of each joint. The simulation analysis results of path planning show that the actual path is very consistent with the planned path and the joint motion is stable, which proves the feasibility and accuracy of the proposed solution method. The 5-DOF manipulator studied in this paper is representative to some extent and the proposed solution method possesses the advantage of low computational complexity and simple solving process. Therefore, the solution idea can provide reference for the inverse kinematics solution of the manipulator with less degrees of freedom.

Key words: robot, inverse kinematics, 5-DOF manipulator, geometric method, joint angle parameterization, approach vector

中图分类号:

TP242.6

万珍平, 罗钊, 陆龙生, 等. 关节角参数化结合接近矢量可行方向的五自由度机械臂逆运动学求解[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(1): 16-21.

WAN Zhenping, LUO Zhao, LU Longsheng, et al. Inverse Kinematics Solution of 5-DOF Manipulator via Joint Angle Parameterization and Feasible Direction of Approach Vector[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(1): 16-21.

图/表 5

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连杆	α_i_-1	a_i_-1	d_i	θ_i
1	0°	0	0	θ₁
2	-90°	0	0	θ₂
3	-90°	a₃	d₃	0
4	-90°	0	d₄	θ₄
5	-90°	0	d₅	θ₅

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