李憲華，疏　楊，張雷剛，郭　帥，張　軍

(1. 安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽　淮南　232001；2.上海市智能制造及機器人重點實驗室，上?！?00444)

?

機械臂工作空間全局相對可操作度圖的構(gòu)建方法

李憲華1，疏楊1，張雷剛1，郭帥2，張軍1

(1. 安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽淮南232001；2.上海市智能制造及機器人重點實驗室，上海200444)

摘要：針對機械臂工作空間的靈活性問題，提出了一種全局相對可操作度圖的構(gòu)建方法。該方法首先將機械臂工作空間進(jìn)行網(wǎng)格化處理，得到離散位置；然后在離散位置的均布小球上建立直角坐標(biāo)系，通過繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的方式完成機械臂姿態(tài)的離散；而后將每個離散位置上的位姿進(jìn)行逆運動學(xué)解算，并計算得到該位置上的最大相對可操作度；最后采用可視化的方法繪制出機械臂工作空間的相對可操作度分布圖，進(jìn)而揭示機械臂在其工作空間內(nèi)的靈活性分布規(guī)律。該方法為機械臂的設(shè)計提供了相關(guān)理論依據(jù)，為機械臂的任務(wù)操作規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機械臂；相對可操作度圖；逆運動學(xué)

機械臂是模仿人體手臂而設(shè)計的一種自動化操作裝置，其運動靈活性反映了對任務(wù)操作的轉(zhuǎn)換能力，靈活性指標(biāo)對于機械臂的設(shè)計、評價與運動規(guī)劃有非常重要的作用，機械臂運動靈活性是機器人運動學(xué)研究的一個重要內(nèi)容。

可操作度、條件數(shù)和最小奇異值是比較經(jīng)典的三個靈活性指標(biāo)[1]，其中可操作度應(yīng)用較為廣泛，其物理意義可以解釋為機械臂各運動方向上能力的綜合度量。Yoshikawa將雅可比矩陣與其轉(zhuǎn)置矩陣乘積的行列式的之值定義為機械臂的可操作性指標(biāo)，并提出了可操作度橢球的概念對機械臂的靈活性進(jìn)行描述[2]；姚建初等利用方向可操作度對冗余度機械臂進(jìn)行運動規(guī)劃，提高了機械臂的運動能力[3]；Hammond等利用加權(quán)各向同性指標(biāo)，對機械臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并提出了力矩加權(quán)各向同性指標(biāo)，同時考慮了運動靈活性與關(guān)節(jié)力矩[4]；謝碧云等提出基于條件約束的方向可操作度指標(biāo)，通過優(yōu)化側(cè)重點的改變，最大限度地保留了方向可操作度[5]；趙京等采用相對可操作度指標(biāo)對構(gòu)型不同的機械臂靈活性分析，篩選出最佳串聯(lián)仿人機械臂構(gòu)型[6]。以上對于機械臂靈活性的研究大多針對機械臂工作空間任意點的運動能力進(jìn)行評價，而對機械臂整個工作空間的靈活性分布情況未進(jìn)行研究。

本文針對國內(nèi)外研究的上述不足之處，以機械臂可操作度為基礎(chǔ)，建立全局相對可操作度指標(biāo)，通過對機械臂的位姿離散的方法，結(jié)合機械臂逆運動學(xué)，基于Matlab平臺繪制機械臂全局相對可操作度圖，進(jìn)而從宏觀角度出發(fā)對機械臂的整個工作空間的靈活性加以分析。本文以Puma560機械臂為示例，研究機械臂工作空間相對可操作度圖的構(gòu)建過程。

1運動學(xué)與可操作度

1.1運動學(xué)分析

Puma560是機械臂研究中的典型，由6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，本體如圖1所示。利用D-H法對機械臂建模已成為機械臂運動學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)方法，圖2為采用該方法建立的Puma560機械臂坐標(biāo)系，表1為其DH參數(shù)。對于其正逆運動學(xué)的求解…[7]，在此不再贅述。借助于機器人工具箱，可以完成Puma560的正運動學(xué)解算，并可以得到8組逆運動學(xué)封閉逆解。

圖1　Puma560機械臂示意圖

圖2　Puma560坐標(biāo)系

表1　機械臂DH參數(shù)表

1.2全局相對可操作度指標(biāo)

Yoshikawa將雅可比矩陣與其轉(zhuǎn)置之積的行列式定義為可操作性的度量指標(biāo)

(1)

式中：σi為雅可比矩陣奇異值，λi為雅可比矩陣特征值，m為操作空間維數(shù)。

當(dāng)m=n(n為機械臂自由度數(shù))時， w=|det[J(q)]|；機械臂處于奇異形位時，w=0。很容易地可以看到：機械臂除了位于奇異形位時，可操作度指標(biāo)總是大于零的。此度量指標(biāo)可以用來衡量機械臂距離奇異形位的遠(yuǎn)近程度，可以用來衡量機械臂的靈活性。在評價機械臂靈活性過程中，總是希望得到統(tǒng)一量綱指標(biāo)，為此定義機械臂工作空間的全局相對可操作度指標(biāo)來對機械臂的可操作性度量指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理[6]，如式(2)所示。

(2)

式中：wi為機械臂工作空間點pi處的可操作度值，wmax為機械臂工作空間中的可操作度的最大值，μi為上述兩者間的比值，稱為全局相對可操作度值。當(dāng)μi=0時，表示該點處于奇異形位；當(dāng)μi=1時表明該點操作度達(dá)到最大值，靈活性最好，顯然μi的取值范圍是[0，1]。對于Puma560機械臂，在已知各關(guān)節(jié)角度情況下，采用機器人工具箱可以完成可操作度的計算，本文采用蒙特卡羅方法，完成對Puma560機械臂工作空間的最大可操作度值wmax的求取，再通過式(2)可以得到該形位下機械臂的相對可操作度。

2相對可操作度圖構(gòu)建

2.1工作空間離散

圖3　Puma560工作空間離散

機械臂工作空間中任一點都可以劃分到各小立方體中，通過式(4)可以計算出所屬的小立方體，其中(tx，ty，tz)為機械臂工作空間中的任意點；反之，通過式(5)可以計算出任一小立方體的中心坐標(biāo)位于機械臂基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。采用此種離散方法，機械臂工作空間中的任意位置都可以進(jìn)行定向分析，每個小立方體都包含機械臂可達(dá)位置相關(guān)的信息。

(3)

(4)

(5)

2.2姿態(tài)離散

為了將機械臂工作空間任意位置上的姿態(tài)進(jìn)行離散，首先將上述離散空間中的小立方體用與其各面都相切的球體代替，可見當(dāng)小立方體的邊長趨于無窮小時，該球體與小立方體完全一致。采用螺旋點均布算法[8]，在球體表面均勻分布np個小球體，如圖5所示，每個小球體的坐標(biāo)以球坐標(biāo)的形式給出，如式(6)～(9)所示。

1≤k≤N

(6)

2≤k≤N-1，φ1=φN=0

(7)

(8)

pi=[xkykzk]T

(9)

圖5　球體上均布點

假設(shè)大球體和均布的小球體球心都固接有坐標(biāo)系，大球體坐標(biāo)系各軸方向與基坐標(biāo)系一致，小球體坐標(biāo)系的z軸為由大球體球心與小球體球心的連線，并且指向為大球體球心到小球體球心，通過式(10)與(11)可以得到小球體坐標(biāo)系到大球體坐標(biāo)系的變換矩陣，均布小球體的坐標(biāo)系z軸如圖6所示。

Ri，0=Rz，φk·Ry′，θk=

(10)

式中：Rz，φk表示繞z軸旋轉(zhuǎn)φk對應(yīng)的矩陣，Ry′，θk表示繞轉(zhuǎn)動過后的y軸旋轉(zhuǎn)θk對應(yīng)的矩陣，

(11)

圖6　球體上的z軸分布

至此，可以把Fi，0看作為機械臂的工具坐標(biāo)系位于大球體下的位姿，而Ri，0就是機械臂的某一姿態(tài)。

為了進(jìn)行姿態(tài)離散，將小球體上的坐標(biāo)系繞其z軸每隔Δ°0旋轉(zhuǎn)一次進(jìn)行離散，共分成m0份，如式(12)所示，旋轉(zhuǎn)矩陣如式(13)所示，則當(dāng)小球體上的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)過α°k后，其位于大球體下的坐標(biāo)如式(14)所示。至此，可以將小球體上的任一坐標(biāo)系位于基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)通過式(15)和(16)得到，從而完成了機械臂工作空間的任意位姿的離散。

(12)

(13)

Fi，αk=Fi，0·Fz(αk)=F(Rot(i，k)，pi)

(14)

(15)

(16)

2.3可操作度圖構(gòu)建

通過以上步驟可以實現(xiàn)機械臂工作空間的任意位置和姿態(tài)，然而機械臂各關(guān)節(jié)由于機械結(jié)構(gòu)的限制并非所有的姿態(tài)都能到達(dá)，Puma560機械臂各關(guān)節(jié)角度旋轉(zhuǎn)范圍如表1所示。因此，在完成機械臂工作空間的位姿離散后，要將每一個位姿進(jìn)行逆運動學(xué)驗證，已驗證該位姿是否存在逆解。若逆解存在則計算該構(gòu)形下的相對可操作度，否則按順序選取下一組位姿值進(jìn)行計算，重復(fù)上述步驟，直至機械臂工作空間所有位姿選盡，程序流程如圖7所示。

圖7　機械臂工作空間相對可操作度圖構(gòu)建流程圖

2.4Puma560相對可操作度圖及分析

圖8為Puma560的全局相對可操作度圖，從圖中可以看出該機械臂的最大可達(dá)空間為一球面，而由于關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)的限制，該球體并不完整，主要表現(xiàn)在從外到內(nèi)在機械臂第一關(guān)節(jié)為極限位置時有一個斷裂帶，并且該球體為中空的。理論上分析，可操作度圖球體表面應(yīng)全為紅色即相對可操作度為0，即機械臂處于奇異，而由于位置離散時小正方體的邊長取值相對較大，因此球體邊緣部分點可操作度較小，但并非為零。為了便于觀察機械臂相對可操作度的分布情況，對上述全局相對可操作度圖的球體進(jìn)行剖視，如圖9所示。通過圖9可以看出，Puma560工作空間的全局相對可操作度大體成帶狀分布，且大部分空間的相對可操作值達(dá)0.8～1.0。位于可操作度圖球體邊緣的點操作度較小，當(dāng)向球體中心移動時，相對可操作度值變大，然后再變小。

圖8　Puma560工作空間相對可操作度圖

圖9　Puma560全局相對可操作度圖剖視圖

3結(jié)論

本文從機械臂的工作空間出發(fā)，以相對可操作度為基礎(chǔ)，通過將機械臂工作空間位置離散與姿態(tài)散的方法，完成對機械臂整個工作空間的位姿離散，對位姿離散的方法進(jìn)行了詳細(xì)論述，而后以逆運動學(xué)為基準(zhǔn)，對離散的位姿進(jìn)行篩選，對于滿足逆運動學(xué)的位姿進(jìn)行計算全局可操作度，采用三維直觀圖對機械臂工作空間的相對可操作度分布情況進(jìn)行描述，通過圖譜可以直觀地看出機械臂工作空間內(nèi)其相對可操作度的分布情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊有倫， 唐立辛， 丁漢，等.機器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢： 華中科技大學(xué)出版社， 2013：5-200.

[2]YOSHIKAWAT.Manipulabilityofroboticmechanisms[J].InternationalJournalofRoboticsResearch， 1985， 4(2)：3-9.

[3]姚建初，丁希侖， 戰(zhàn)強. 冗余度機器人基于任務(wù)的方向可操作度研究[J]. 機器人， 2000， 22(6)：501-505.

[4]HAMMONDⅢFL，SHIMADAK.Morphologicaldesignoptimizationofkinematicallyredundantmanipulatorsusingweightedisotropymeasures[C]//Internationalconferenceonroboticsandautomation.KobeJapan， 2009， 2 931-2 938.

[5]謝碧云， 趙京. 基于條件數(shù)約束的方向可操作度[J]. 機械工程學(xué)報， 2010， 46(23)：8-15.

[6]趙京， 宋春雨， 杜濱. 基于人體工程學(xué)的仿人機械臂構(gòu)型[J]. 機械工程學(xué)報， 2013， 49(11)：16-21.

[7]付京遜，R.C. 岡薩雷斯. 機器人學(xué)[M]. 北京： 中國科學(xué)技術(shù)出版社， 1989：8-100.

[8]EBSAFF，ABKUIJLAARS.Distributingmanypointsonasphere[J].Mathematicalintelligencer， 1997， 19(1)：5-11.

(責(zé)任編輯：李麗)

A Method of Constructing Global Relative Manipulability Map for Manipulator

LI Xian-hua1,shu Yang1， ZHANG Lei-gang1,Guo Shuai2，ZHANG Jun1

( 1. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001,China；2. Shanghai Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Robotics，Shanghai 200444,China)

Abstract:Aiming at the flexibility of manipulators in working space, a method of constructing global relative manipulability map was proposed. In this method, the working space of the manipulator was processed by grid, and the discrete positions were obtained; then the rectangular coordinate system was set up on the discrete positions, and the discrete positions of the manipulator were accomplished by rotating the coordinate axis; the position and pose of each discrete position were calculated by inverse kinematics, and the maximum relative operational degree of the position was calculated; finally, the visual method was used to draw the relative operational degree distribution map of the manipulator in the working space to reveal the flexibility distribution of the manipulator in its working space. The method provides a theoretical basis for the design of the manipulator, and lays the foundation for the task operation planning of the manipulator.

Key words:manipulator, relative manipulability map, inverse kinematics

收稿日期：2014-10-15.

基金項目：安徽省博士后基金資助項目(DG081) ；安徽理工大學(xué)引進(jìn)人才(博士)基金資助項目(11228)；上海市智能制造及機器人重點實驗室開放基金資助項目(ZK1304)

作者簡介：李憲華(1980-)，男，山東濟南人，副教授，博士后，研究方向：機器人技術(shù)。

中圖分類號：TP241

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098(2016)01-0056-06