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        基于空間位置的工業(yè)機器人干涉判斷研究

        2018-10-30 01:38:42趙志偉劉振宇
        微處理機 2018年5期
        關(guān)鍵詞:機械

        趙志偉,劉振宇

        (沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽110870)

        1 引 言

        近年來,工業(yè)機器人在自動化領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用,其中應(yīng)用最多的就是串聯(lián)型六自由度機器人。這種機器人在決定位移范圍時,必須考慮連桿之間的干涉問題;同時在運動過程中,也要考慮是否會和障礙物發(fā)生碰撞。國內(nèi)外許多專家學(xué)者都對此問題展開研究。

        方彬等人[1]曾嘗試在初步檢測階段采用AABB包圍盒和間隔減半來剔除場景中不相交的物體;在詳細檢測階段通過對物體建立AABB來精確相交區(qū)域。Ayala等人[2]為提高檢測精度,應(yīng)用管狀物體進行自碰撞檢測。靳雁霞等人[3]曾提出融合R-Sphere包圍球的碰撞檢測算法,該算法首先將有公共頂點的三角片構(gòu)造成包圍球,利用包圍球快速剔除不相交的物體,再通過粒子群算法將三維問題轉(zhuǎn)換成二維問題;王鵬等人[4]利用在三角形網(wǎng)格中增加特征元素的信息(點、邊、面)形成特征描述三角形,再結(jié)合方向包圍盒OBB(Oriented bounding box)來進行碰撞檢測。胡詠梅[5]提出將AABB和OBB相結(jié)合的碰撞檢測算法,該算法通過對象投影來剔除不相交的物體,繼而用AABB構(gòu)建剩下的物體,初步判斷可能相交的物體,最后用OBB來精確檢測,獲得了較好的實時性。

        然而以上研究成果大多是將機器人桿件與障礙物當成幾何多面體、橢球體或者球體。求解連桿與障礙物的距離時,為了安全起見,這些幾何元件的尺寸均大于實際連桿和障礙物的尺寸,因此雖然容易做出判斷,但卻無法精確判斷是否真正有干涉現(xiàn)象發(fā)生[6-10]。故此,提出一種新方法,利用工業(yè)機器人外型特征,將機器人各關(guān)節(jié)替換為更接近其形狀的圓柱或圓錐體,可迅速判斷出哪些連桿不發(fā)生干涉現(xiàn)象,并利用可能發(fā)生干涉的連桿及障礙物兩者中心線的距離來判斷是否真正發(fā)生干涉。所提方法不需要用到代表連桿及障礙物的幾何方程,且不需要判斷每一連桿與障礙物是否發(fā)生干涉,即可快速準確地判斷是否有干涉發(fā)生。

        2 六自由度機械臂運動學(xué)分析

        2.1 建立D-H模型

        以安川公司生產(chǎn)的六自由度點焊機器人Motoman ES165D為研究對象進行運動學(xué)建模。圖1(a)即為產(chǎn)品實物圖。該機器人結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,其運動學(xué)正解采用傳統(tǒng)的D-H法進行描述。DH法建立各個關(guān)節(jié)坐標系如圖1(c)所示(Unity3D世界坐標系中,χ-z平面為水平面,豎直方向為y軸,這里按照Unity坐標規(guī)則定義坐標系),其中θi為連桿i與連桿i-1的夾角,αi為連桿i與連桿i-1間的扭角,ai為連桿i長度,di為連桿i與連桿i-1的距離,得到D-H參數(shù)如表1所示,第i-1坐標系與第i坐標系之間的關(guān)系可以用平移和旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。最終得到機械臂末端相對于基座上參考坐標X0-Y0-Z0的位姿矩陣T,如下式:

        式中:nχ,ny,nz,oχ,oy,oz,aχ,ay,az為機械臂末端的姿態(tài),pχ,py,pz為機械臂末端的位置坐標。

        圖1 Motoman ES165D型機械臂

        表1 Motoman ES165D機械臂D-H參數(shù)

        2.2 六自由度串聯(lián)機械臂反解分析

        已知機器人連桿的幾何參數(shù),給定機器人末端相對于參考坐標系的期望位置和姿態(tài),通過機器人運動方程的反解,得到機器人能夠到達預(yù)期位姿的關(guān)節(jié)變量,這就需要對運動方程求解,即逆運動學(xué)。求解θ1時將式(1)等號兩邊同時左乘得到:

        化簡可求得:θ1=±90-arctan2(pz,px),式中正、負號對應(yīng)θ1的兩個可能解。

        令矩陣方程(2)兩邊的(2,4)和(3,4)分別對應(yīng)相等,得到方程組:

        其中s1是sinθ1的縮寫,c1是cosθ1的縮寫,以此類推,s23=sin(θ2+θ3),c1=cos(θ2+θ3),化簡得:

        由于θ1存在兩個可能解,對應(yīng)θ3也存在兩種可能解。由于結(jié)構(gòu)的限制,根據(jù)表1變量的范圍,有些解不能實現(xiàn)。故此根據(jù)實際情況選擇其中一組解來滿足機器人的工作要求。

        求解θ2時通過矩陣方程:

        令矩陣方程(3)兩端(1,4)對應(yīng)相等,即有:

        將-a2移到等式左邊后對等式兩邊平方,化簡后得:

        同理可求得θ4,θ5,θ6:

        3 干涉判斷

        3.1 環(huán)境模型

        在進行干涉判斷之前,首先需要對機械臂工作環(huán)境進行合理的描述。在干涉判斷時采用對環(huán)境中的障礙物以及機器人進行兩次投影的思想[11-12]。H-平面垂直于機械臂基坐標Y軸軸線;V-平面垂直于H-平面并且經(jīng)過基坐標Y軸軸線,利用機械臂與障礙物分別在H-平面內(nèi)以及V-平面內(nèi)進行投影截取,這樣機械臂在三維工作空間中運動的問題便轉(zhuǎn)換為H-平面及V-平面兩個平面的二維問題,減少了計算量,提升了系統(tǒng)的實時性。

        首先在SolidWorks中對Motoman ES165D機器人本體進行建模,然后應(yīng)用3D Max對各個關(guān)節(jié)所在的坐標系進行修改,完成關(guān)節(jié)間坐標變換的設(shè)置。同時利用3D Max中提供的高級建模工具對機器人工作的操作平臺、障礙物等相關(guān)物件創(chuàng)建模型,最后以FBX格式導(dǎo)入Unity3D中。通過Unity3D自帶的物理引擎對零件附加剛體屬性,使零件具有質(zhì)量、摩擦等物理效果,參照生產(chǎn)車間進行虛擬環(huán)境搭建,最后搭建了如圖2所示的本體模型及環(huán)境模型。

        圖2 Unity3D工作環(huán)境模擬

        3.2 連桿之間干涉判斷

        在串聯(lián)式機械臂干涉判斷方面,因為連桿多為不規(guī)則形狀,所以將各連桿等效為圓錐或者圓柱形狀來簡化問題。空間中兩連桿干涉情況如圖3所示。

        圖3 空間中兩連桿相互干涉

        通過兩個連桿之間中心線的垂直距離dij來判斷是否發(fā)生干涉,其表達式為:

        其中dij為兩中心線在空間中與公垂線相交兩點的距離。為垂直于連桿i與連桿j的單位向量,為兩連桿的中心線方向。

        空間中兩直線Li與Lj的參數(shù)方程為:

        AiBi和AjBj分別為連桿i與連桿j的上下端點的坐標,λi,λj為交點位置參數(shù)。兩連桿中心線的公垂線與兩連桿中心線的交點Qi與Qj,由聯(lián)立方程求得λi及λj,并分別帶回式 (4)求得兩交點的位置Qi與Qj。當 0≤λi點位于連桿i長度范圍內(nèi);當 0≤λj≤1,Qj點位于連桿j長度范圍內(nèi);所以連桿i與連桿j發(fā)生干涉的條件為0≤λi≤1和0≤λj≤1且垂直距離小于干涉點的兩桿半徑和,以此得到判斷條件為:

        情況一:當Δi≥0,Δj≥0,交點位于i、j連桿范圍內(nèi),由交點位置參數(shù)λj(當λj為0則交點為Aj,直徑為Dj;當λj為1則交點為Bj,直徑為dj),則可計算出連桿j在交點位置的直徑大小為則發(fā)生干涉,否則不發(fā)生干涉。

        情況二:Δi×Δj<0,代表交點位于i、j二連桿其中一個的范圍內(nèi),無法確定是否發(fā)生干涉,需要通過求解軸與點的最短距離來作判斷,如圖4所示。

        圖4 兩連桿發(fā)生干涉情況二

        為了使干涉點固定在障礙物端面的邊上,將圓錐體改視為圓柱體來簡化判斷條件,其直徑由大圓Dj取代。利用點到直線最短距離公式來計算,以Δi>0為例(對于Δj>0的情況,其求解過程中只需將式中i、j做交換即可),計算結(jié)果如下:

        Hj為直線連桿j上點Aj或Bj的坐標,dHL為Hj點到連桿i的最短距離。

        圖5 兩連桿發(fā)生干涉夾角為銳角、鈍角情況

        情況三:當Δi<0,Δj<0,代表連桿i與連桿j的交點都位于兩者范圍之外。如圖6所示,當時,其計算過程與情況二的Δi>0一樣;反之,當時,對其求解只需將式中i、j做交換即可。

        3.3 連桿與障礙物之間的干涉判斷

        第一種方法與連桿之間的干涉判斷方法相同,只需將障礙物視為錐柱體或圓柱體進行判別;另外考慮到在現(xiàn)實當中,障礙物多為垂直于水平面的物體,提出第二種較為簡易的判斷方法:首先,將障礙物設(shè)定為圓柱體,圓面的直徑為D0;同時也將每根連桿設(shè)定為圓柱體,其直徑為Di,連桿i的頂點為Ai;而為障礙物的中心線方向,A0為障礙物地面的圓心點,B0為障礙物頂點的圓心點,dOL為連桿2坐標原點O與障礙物中心線在空間中點到直線的距離,其表達式為:

        圖6 當時,兩連桿干涉狀況

        連桿2與障礙物發(fā)生的第一種干涉,將連桿2與障礙物投影到χ-z平面,如圖7(a)所示為基坐標原點O與障礙物投影后的圓心C連線與χ軸的夾角,θL2為θ1造成連桿2與障礙物產(chǎn)生干涉的偏轉(zhuǎn)角大小,其表達式為:

        其次,若上述條件成立,需要進一步判斷連桿2的長度是否進入障礙物干涉的范圍。將連桿2與障礙物都投影到r-y平面,其中r軸為坐標原點O與障礙物底圓圓心A0連線的軸,將連桿2的末端投影至r軸,比較其長度是否有干涉發(fā)生。如圖7(b)所示,得到連桿2投影到r軸的長度,其中B2r為連桿2投影到r軸的末端點,配合正弦函數(shù)將連桿2的直徑投影到r軸,得到:

        所以當OEr≤OCr,即時,連桿2可能發(fā)生干涉,否則不發(fā)生干涉。

        最后,第二軸角θ2也會影響連桿2與障礙物的干涉狀況判定,若上述兩個判斷條件都成立,同樣在r-y平面比較連桿2在y軸方向的高度是否與障礙物發(fā)生干涉。如圖7(c)所示,其中E為連桿2與障礙物的干涉點,Er為E點投影到r軸的點,Y為連桿2和障礙物的干涉點到連桿2軸的y方向長度:

        由此得到第三個判斷條件:

        圖7 連桿2與障礙物干涉情況

        當同時滿足上述三個條件時,連桿2發(fā)生干涉,否則連桿2無干涉發(fā)生。當連桿2無干涉發(fā)生時,由于干涉點不一定在連桿2上,所以要繼續(xù)對連桿3進行干涉判斷。

        第一步,與連桿2相同,計算連桿3與障礙物之間的造成干涉的偏轉(zhuǎn)角度θL3。

        圖8 連桿3與障礙物干涉情況

        4 仿真實現(xiàn)及結(jié)果分析

        4.1 基于Unity3D的仿真實現(xiàn)

        Unity3D支持C#和JavaScript語言的腳本編程,由于C#語言具有面向?qū)ο蟮奶匦院蛷姶蟮暮瘮?shù)庫,故此選用C#作為開發(fā)語言。在仿真初始階段,為生成相關(guān)參數(shù),需要編寫Script腳本,用以定義目標點位置、連桿長度等參數(shù),并制成參數(shù)控制面板。

        根據(jù)相關(guān)參數(shù)對正運動學(xué)進行仿真驗證,運動學(xué)正解的關(guān)鍵代碼如下,建立FK類,包含GetMatrix()、MatrixCalcu-Lation()等關(guān)鍵函數(shù):

        進行正運動學(xué)、逆運動學(xué)驗證之后,編寫干涉判斷的相關(guān)腳本,在Update函數(shù)(Update函數(shù)是unity提供函數(shù),其在每一幀被調(diào)用)中進行條件判斷,當發(fā)生干涉時輸出是哪一連桿發(fā)生了干涉。

        4.2 結(jié)果分析

        由于Motoman ES165D型機器人的末端三個關(guān)節(jié)軸線交于一點,所以只考慮前三個關(guān)節(jié)干涉的情況。Unity3D中機械臂與障礙物干涉情況如圖9。

        圖9 Unity3D中機械臂與障礙物干涉狀況示意圖

        在已經(jīng)搭建好的Unity3D環(huán)境下,選取機械臂路徑中末端點為(11.6,61.5,11.6)的一點,障礙物D0坐標位置為(30,0,-30),障礙物直徑為14cm,高度為67cm,通過逆運動學(xué)得到每個連桿的旋轉(zhuǎn)角度為:θ1=45°,θ2=45°,θ3=0°,θ4=45°,θ5=30°,θ6=30°。已知每個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度之后,利用機器人正運動學(xué)得到各個關(guān)節(jié)在基坐標中的位姿矩陣:

        結(jié)合連桿參數(shù)坐標系,得到連桿2的下端點坐標(14.1,65,14.1),上端點坐標(31.6,89.7,31.6),連桿3下端點坐標(31.6,89.7,31.6),連桿3上端點坐標(11.6,61.5,11.6)。得到各個連桿與障礙物干涉判斷狀況如表2、表3所示。

        表2 各連桿與障礙物第一種判斷方法結(jié)果數(shù)據(jù)

        表3 各連桿與障礙物的第二種判斷方法結(jié)果數(shù)據(jù)

        由兩表可以看出,兩種方法都可以快速地判斷出當末端點位于(11.6,61.5,11.6)時,機械臂第三連桿將與障礙物發(fā)生碰撞,其中第一種方法較為復(fù)雜,須聯(lián)立兩線性方程式求解λ,但其能判斷圓錐型障礙物或連桿;第二種方法雖然不能判斷圓錐型物體,但其計算量較小,干涉判斷速度比第一種方法更快。

        5 結(jié)束語

        將連桿與障礙物簡化為更接近實物的圓柱體與圓錐體,通過兩種干涉判斷法,分析連桿與連桿之間、連桿與障礙物之間干涉發(fā)生的可能情況,能夠有效判斷干涉是否發(fā)生及干涉點發(fā)生位置,提高了干涉判斷精確度。以Motoman ES165D機器人為研究對象,通過分析其結(jié)構(gòu),構(gòu)建了本體模型及工作車間場景模型。運用D-H參數(shù)法對機器人正逆運動學(xué)求解,并在Unity3D中通過虛擬仿真,驗證了機器人運動過程中干涉判斷方法的可行性,在實際應(yīng)用中能夠有效預(yù)防工作中機器人的損壞。

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