CN109079771B - 一种五关节机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五关节机器人及其控制方法，包括依次连接的四个机械臂以及用于驱动机械臂运动的关节组件，机械臂包括：底座；设置在底座上，用于实现竖直方向上移动的主机械臂；与所述主机械臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第一水平臂；与所述第一水平臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第二水平臂；设置在所述第二水平臂的末端，且用于实现竖直方向上旋转的的手腕臂；设置在所述手腕臂的末端，且用于实现轴向旋转的旋转部。本发明中的五关节机器人，通过主机械臂的升降运动实现高度的定位，以及通过第一水平臂和第二水平臂的水平旋转，实现水平面任意位置的定位，并结合手腕臂和旋转部的运动，综合实现灵活的空间作业，且控制精度高。

Description

一种五关节机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种五关节机器人及其控制方法。

背景技术

机器人技术的发展日益渐进，但目前市场上应用比较广泛的多为四轴和六轴机器人，五轴机器人工业上应用相对较少。四轴机器人结构简单，成本较低，但其灵活性也较差，应用场合大大受限；而六轴机器人具有六个自由度，应用广泛，但相对而言，成本也增加不少。事实上，在实际工业应用中，一些工作场合并不需要六个自由度，采用六关节机器人不仅会增加成本也会造成资源浪费，然而，四关节机器人又无法满足其工作需求，故产生了一种兼顾灵活性和低成本的五轴机器人。

如图1所示，现有的五关节机器人一般是第一轴水平旋转，第二、三轴以水平方向为轴心、在竖直面上进行旋转，从而实现机器人的不同高度的操作，但此方式的五轴机器人的运算方式复杂，且多个关节在不同高度的同时上下运动，对机器人本身的负荷影响很大，且重心的不同变化，受到重力和机身惯量的影响也很大，使得机器人的制造成本高，操作和维护都不方便。

现有的五关节机器人运动学控制方法主要针对五个旋转关节这种特定的构型，并不适用于控制含有直线运动关节五关节机器人运动。另外现有的适合各类构型串联机器人的通用运动学控制方法，一般采用迭代数值解法，存在计算复杂，求解时间长，求解结果不能保证收敛，导致控制精度变差，控制稳定性降低等缺点。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种五关节机器人及其控制方法，旨在解决现有技术中的五关节机器人灵活性低和成本高等问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种五关节机器人，包括依次连接的四个机械臂以及用于驱动机械臂运动的关节组件，其中，所述机械臂包括：底座；

设置在底座上，用于实现竖直方向上移动的主机械臂；

与所述主机械臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第一水平臂；

与所述第一水平臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第二水平臂；

设置在所述第二水平臂的末端，且用于实现竖直方向上旋转的的手腕臂；

设置在所述手腕臂的末端，且用于实现轴向旋转的旋转部。

所述五关节机器人，其中，所述关节组件包括：设置在所述底座上，用于驱动主机械臂在竖直方向上运动的第一关节组件；

设置在所述主机械臂与所述第一水平臂的连接处，用于驱动所述第一水平臂在水平方向上转动的第二关节组件；

设置在所述主机械臂与所述第一水平臂的连接处，用于驱动所述第二水平臂在水平方向上转动的第三关节组件；

设置在所述第二水平臂与所述手腕臂的连接处，用于驱动所述手腕臂在竖直方向上旋转的第四关节组件。

所述五关节机器人，其中，所述底座设置为腔体结构，所述主机械臂的至少一部分部件设置在所述底座内。

所述五关节机器人，其中，所述第一关节组件包括：固定于底座上的第一电机；与所述第一电机的输出轴固定相连的第一同步带轮组件；沿竖直方向设置，且末端与所述第一同步带轮组件紧固连接，用于通过所述输出轴带动实现旋转的丝杆；与所述丝杆适配的丝杆螺母；所述丝杆螺母与主机械臂固定连接。

所述五关节机器人，其中，所述第二关节组件包括：固定于主机械臂上的第二电机，所述第二电机的输出轴与第一水平臂固定连接；

固定在所述主机械臂上的第二谐波减速机；

以及连接于所述第二电机与所述第二谐波减速机之间的第二同步带轮组件。

所述五关节机器人，其中，所述第三关节组件包括：固定于主机械臂上的第三电机和第三同步带轮组件A；

位于第一水平臂内的第三同步带轮组件B；

分别与第三同步带轮组件A以及第三同步带轮组件B连接，且用于将第三电机的动力通过第三同步带轮组件A传递至第三同步带轮组件B的传动轴；

所述第三同步带轮组件B的另一端与所述第二水平臂固定连接。

所述五关节机器人，其中，所述第二水平臂与第三同步带轮组件B之间设置有第三谐波减速机。

所述五关节机器人，其中，所述第四关节组件包括：固定在第二水平臂上的第四电机；位于第二水平臂内的第四同步带轮组件；第四同步带轮组件的一端与第二水平臂固定连接；另一端与手腕臂固定连接。

一种五关节机器人的控制方法，其中，所述控制方法包括：

步骤A、分别在所述五关节机器人的首端、末端以及各个机械臂之间的连接点处建立直角坐标系；

步骤B、基于正运动学控制方法或者逆运动学控制方法输入相应的变量，使各个机械臂完成期望的运动。

优选地，所述的五关节机器人的控制方法，其中，所述步骤B包括：

基于正运动学控制方法输入各个机械臂的运动量，获得末端坐标系相对于首端坐标系的位置与姿态，控制所述五关节机器人完成期望的运动轨迹；

或者，基于逆运动学控制方法输入末端坐标系相对于首端坐标系的位置与姿态，获得各个机械臂的运动量，控制所述五关节机器人完成期望的运动轨迹。

本发明的有益效果：本发明中的五关节机器人，通过主机械臂的升降运动实现高度的定位，以及通过第一水平臂和第二水平臂的水平旋转，实现水平面任意位置的定位，并结合手腕臂和旋转部的运动，综合实现灵活的空间作业，且控制精度高；并且本发明的五关节机器人的控制方法计算速度快，控制精度高，占用控制***资源小，易于保证控制精度和稳定性。

附图说明

图1是现有技术中五关节机器人的结构及运动示意图。

图2是本发明实施例提供的五关节机器人运动构型图。

图3是本发明实施例提供的五关节机器人的立体图。

图4是本发明实施例提供的五关节机器人的剖视图。

图5是本发明实施例提供的第四关节组件的侧视图。

图6是本发明实施例提供五关节机器人的控制方法流程图。

图7是本发明实施例提供的五关节机器人的坐标系建立示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2中所示，本实施例中提供一种五关节机器人，所述机器人包括依次连接的四个机械臂以及用于驱动机械臂运动的关节组件，主要包括五个关节运动，分别为：竖直运动、水平面旋转、水平面旋转、竖直面旋转、轴向旋转。此方式的第二、三关节仅需要在水平面定旋转，通过第一关节的升降运动配合第四关节的竖直面旋转实现高度的定位，运动方式简单灵活、运算方式也极为简单。

参照图3，具体地，本发明实施例的所述机械臂包括：底座160，设置在底座160上，用于实现竖直方向上移动的主机械臂110；与所述主机械臂110（图3中的主机械臂110是在内部实现竖直方向上的升降运动）连接，且用于实现水平方向上旋转的第一水平臂120；与所述第一水平臂120连接，且用于实现水平方向上旋转的第二水平臂130；设置在所述第二水平臂130的末端，且用于实现竖直方向上旋转的的手腕臂140；设置在所述手腕臂140的末端，且用于实现轴向旋转的旋转部150。在本发明中，主机械臂110、第一水平臂120、第二水平臂130、手腕臂140、以及旋转部150的配合实现五个自由度的运动，结构简单，运动灵活。

为了更好地，说明发明的技术方案，参照图4 ，本发明提供五关节机器人的剖视图。四个机械臂的运动是通过四个关节组件来实现，具体的，所述四个关节组件分别为第一关节组件111、第二关节组件121、第三关节组件131、第四关节组件141。所述第一关节组件111是设置在所述底座160上，用于驱动主机械臂110在竖直方向上运动。第二关节组件121是设置在所述主机械臂110与所述第一水平臂120的连接处，用于驱动所述第一水平臂120在水平方向上转动。第三关节组件131是设置在所述主机械臂110与所述第一水平臂120的连接处，用于驱动所述第二水平臂130在水平方向上转动。第四关节组件141是设置在所述第二水平臂130与所述手腕臂140的连接处，用于驱动所述手腕臂140在竖直方向上旋转。优选地，本实施例中的旋转部150是旋接在所述手腕臂140上，因此旋转部150是可以进行轴向旋转的。此外，本发明中的第一关节组件111、第二关节组件121以及第三关节组件131均设置在底座160上，可以很好地降低第一水平臂120以及第二水平臂130的负载，有效地保证了稳定性。

较佳地，本实施例中的底座160为一腔体结构，所述主机械臂110和第一关节组件111分别位于所述底座160内，主机械臂110在底座160内进行竖直方向上的升降运动。本实施例的底座160采用方形的腔体结构，当然在其他实施例中，可根据需要设计所述底座的外形，如圆形、棱形等等，本实施例对此并不进行限定。同时，本实施例的底座160采用一体成型，其他实施例中，可以采用拼接或组合的方式。

进一步地，为了能够节约体积和降低驱动能耗，所述主机械臂110的至少一部分部件在所述底座160的空间范围内运动。即，所述主机械臂110可在腔体结构的底座上伸缩，从而实现整个机器人在竖直方向的升降。

进一步参照图4，本实施例中的第一关节组件111包括：固定于底座上的第一电机112；与所述第一电机112的输出轴（图中未标出）固定相连的第一同步带轮组件113；沿竖直方向设置，且末端与所述第一同步带轮组件113紧固连接，用于通过所述输出轴带动实现旋转的丝杆114；与所述丝杆114适配的丝杆螺母115；所述丝杆螺母115与主机械臂110固定连接。具体实施时，第一电机112带动输出轴转动时，通过与之连接的第一同步带轮组件113带动丝杆114转动，从而实现与丝杆螺母115相连的机械臂110在所述丝杆114上升降运动，最终带动与所述主机械臂110相连的第一水平臂120、与所述第一水平臂120相连的第二水平臂130、与所述第二水平臂130相连的手腕臂140、以及设于所述手腕臂140上的旋转部150整体进行升降运动，实现高度调节。

进一步地，所述第一同步带轮组件113包括分别与第一电机112的输出轴和丝杆114相连的两个带轮（图未标）和套设于两个带轮上的同步带（图未标），通过同步带将第一电机112的动力传递至丝杆114上，从而带动丝杆114运动。由于同步带轮组件本身为现有技术，本实施例中，不详细描述其具体的结构和形状、以及不同大小、形状的选择对产品的效果的影响。

进一步地，所述丝杆114的两端封闭套设有轴承组件116，所述轴承组件116固定于所述底座160上，通过所述轴承组件116实现所述丝杆的定位。

进一步地，所述第二关节组件121包括：固定于主机械臂110上的第二电机122；固定在所述主机械臂110上的第二谐波减速机123；以及连接于所述第二电机122与所述第二谐波减速机123之间的第二同步带轮组件124，所述第二电机122的输出轴与第一水平臂120固定连接。优选地，所述同步带轮组件124一端与所述第二电机122的输出轴（图未标）固定连接，另一端与所述第二谐波减速机123的输入端连接，所述第二谐波减速机123的输出端与所述第一水平臂120固定连接。本实施例中通过设置第二谐波减速机123，可以利用高减速比和较大的承载扭矩，实现高精度高效率的运动和定位。

进一步地，所述第三关节组件131包括：固定于主机械臂110上的第三电机132和第三同步带轮组件A133；位于第一水平臂120内的第三同步带轮组件B134；分别与第三同步带轮组件A133以及第三同步带轮组件B134连接，且用于将第三电机132的动力通过第三同步带轮组件A133传递至第三同步带轮组件B134的传动轴135；所述第三同步带轮组件B134的另一端与所述第二水平臂130固定连接。

本实施例的五关节机器人将第一电机112、第二电机122、第三电机132分别都固定在所述主机械臂110上，而所述主机械臂110设置于所述底座160上，使得所述机器人的远端的机械臂的重量减轻，降低了机器人的本身负荷，同时又降低了所述第一水平臂120和第二水平臂130的负载，使得驱动的能耗大大降低，且使得第一水平臂120第二水平臂130的运动更加轻松。同时由于重量集中于所述底座160上，使得所述机器人整体更加稳重。

进一步地，所述第二水平臂130与所述第三同步带轮组件B134之间设有第三谐波减速机136。本实施例中通过设置第三谐波减速机136，可以利用高减速比和较大的承载扭矩，实现高精度高效率的运动和定位。在本实施例中，第一水平臂120和第二水平臂130分别在水平面旋转，且第一水平臂120和第二水平臂130的旋转的幅度、角度都可以自由设置，因此可以实现在水平面上任意位置的定位。

进一步地，参照图5，所述第四关节组件141包括：固定在第二水平臂130上的第四电机142；位于第二水平臂130内的第四同步带轮组件143；第四同步带轮组件143的一端与第二水平臂130固定连接；另一端与手腕臂140固定连接。所述手腕臂140与所述第四同步带轮组件143之间设有第四谐波减速机144；所述第四谐波减速机144固定于所述第二水平臂130上，所述第四同步带轮组件143与所述第四谐波减速机144的输入端连接；所述第四谐波减速机144的输出端与所述手腕臂140连接。本实施例中的手腕臂140通过第四电机142和第四同步带轮组件143的配合实现在竖直面的旋转，其旋转的轴心与所述第二水平臂130的旋转轴心相互垂直，且所述手腕臂140的运动以所述第二水平臂130的空间为基础。

优选地，在其他实施例中，所述第四关节组件141还可以单独设置在某一部件上，如图5中的过渡臂145，使得所述机器人的机械臂设计操作简单，采用组合的方式即可将过渡臂145组装到所述第二水平臂130的末端。

再次参阅图4，所述手腕臂140上还设有第五电机152、所述第五电机的输出轴与所述旋转部150固定连接。所述旋转部150在所述手腕臂140的末端进行轴向旋转。

进一步地，所述第五电机152与所述旋转部150之间设有第五谐波减速机154, 第五谐波减速机154固定于所述手腕臂140上，所述第五电机152的输出轴与所述第五谐波减速机154的输入端连接，所述第五谐波减速机154的输出端与旋转部150连接。

本实施例中提高各个部件名称前含有的第一、或者第二、或者第三、或者第四、或者第五，皆不对所属部件的结构进行限定，仅为了区分所在位置的不同。

基于上述实施例，本发明还提供了一种无关节机器人的控制方法，如图6中所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S100、分别在所述五关节机器人的首端、末端以及各个机械臂之间的连接点处建立直角坐标系；

步骤S200、基于正运动学控制方法或者逆运动学控制方法输入相应的变量，使各个机械臂完成期望的运动。

为了实现对五关节机器人的精准控制，本发明采用正运动学控制方法或者逆运动学控制方法来对整个五关节机器人进行控制。具体地，本实施例中在机器人的首端、末端以及各个机械臂之间的连接点处建立直角坐标系，如图7所示，其中{0}为与底座固定的基坐标系，{1}、{2}、{3}、{4}、{5}分别为与关节固连的关节坐标系，而且{0}和{1}原点重合，{4}和{5}原点重合。然后基于正运动学控制方法或者逆运动学控制方法输入相应的变量，使各个机械臂完成期望的运动。

例如，本实施例在建立坐标系后可以基于正运动学控制方法，输入各个机械臂（五关节）的运动量，获得末端坐标系{5}相对于首端坐标系的位置与姿态{x,y,z,A,B,C}，控制所述五关节机器人完成期望的运动轨迹。其中，姿态{A,B,C}采用X-Y-Z固定角坐标系表示。具体地，依次设关节1（主机械臂）的直线移动距离为θ1，关节2到5（第一水平臂、第二水平臂、手腕臂以及旋转部）的旋转角度为θ2，θ3，θ4，θ5。末端坐标系{5}相对于基坐标系{1}的x坐标值可以由下式计算：

x = L1cosθ2 + L2cos(θ2+θ3)

末端坐标系{5}相对于基坐标系{1}的y坐标值可以由下式计算：

y = L1sinθ2 + L2sin(θ2+θ3)

末端坐标系{5}相对于基坐标系{1}的z坐标值可以由下式计算：

z = θ1 + d1

末端坐标系{5}相对于基坐标系{1}的姿态A可以由下式计算：

A = θ5

末端坐标系{5}相对于基坐标系{1}的姿态B可以由下式计算：

B = θ4

末端坐标系{5}相对于基坐标系{1}的姿态C可以由下式计算：

C = θ2+θ3

根据上述计算，就可以获得末端坐标系{5}相对于首端坐标系的位置与姿态{x,y,z,A,B,C}，进而就可以控制五关节机器人的各个机械臂完成期望的运动轨迹，使末端坐标系{5}相对于首端坐标系的位置与姿态达到上述计算出的位置与姿态。由此可见，本实施例中只需通过输入各个机械臂的运动量输入，然后通过上述公式的运算，就可以得最末端坐标系{5}相对于首端坐标系的位置与姿态{x,y,z,A,B,C}，也就是说通过输入各个机械臂的运动量就可以得到本实施例中旋转部的最终位置以及姿态，这样就可以快速且精准地控制旋转部到达期望的位置处，并且实现相应的姿态。

或者，本实施例还可以在建立坐标系后基于逆运动学控制方法输入末端坐标系{5}相对于首端坐标系的位置与姿态{x,y,z,A,B,C}，获得各个机械臂的运动量，控制所述五关节机器人完成期望的运动轨迹。

具体地，依次设关节1（主机械臂）的直线移动距离为θ1，关节2到5（第一水平臂、第二水平臂、手腕臂以及旋转部）的旋转角度为θ2，θ3，θ4，θ5。

关节1的直线移动距离可以由下式计算：

θ1 = z - d1

关节2的旋转角度可以由下式计算：

m = x²+ y²

k = (m +L1²-L2²)/2L1

θ2 = arctan2(k/sqrt(m), ±sqrt(1-k*k/m)) - arctan2(x,y)

其中，arctan2表示2幅角反正切函数，sqrt表示开根号函数。

关节3的旋转角度可以由下式计算：

p = atan2((y - L1*sin(θ2))/L2, (x - L1*cos(θ2))/L2)

θ3 = p - θ2

关节4的旋转角度可以由下式计算：

θ4 = B

关节5的旋转角度可以由下式计算：

θ5 = A

根据上述计算，就可以获得各个机械臂的运动量，进而就可以控制五关节机器根据相应的运动量完成期望的运动轨迹。在逆运动学控制方法中，是通过输入末端坐标系{5}相对于首端坐标系的位置与姿态{x,y,z,A,B,C}，然后通过上述运算就额可以得到对应的各个机械臂的运动量，这样就可以使得各个机械臂实现相应的运动。在本实施例中，由于末端坐标系{5}相对于首端坐标系的位置与姿态{x,y,z,A,B,C}是确定的，那通过上述公式运算出的各个机械臂的运动量也是确定的，因此可以准确地控制本发明中的无关节机器人实现对应的运动。

由此可见，本实施例中采用正运动学控制方法或者逆运动学控制方法来对五关节机器人的运动进行控制，是属于自变量与因变量之间的互换。并且本实施例中计算速度快，控制精度高，占用控制***资源小，易于保证控制精度和稳定性。

综上所述，本发明提供了一种五关节机器人及其控制方法，包括依次连接的四个机械臂以及用于驱动机械臂运动的关节组件，机械臂包括：底座；设置在底座上，用于实现竖直方向上移动的主机械臂；与所述主机械臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第一水平臂；与所述第一水平臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第二水平臂；设置在所述第二水平臂的末端，且用于实现竖直方向上旋转的的手腕臂；设置在所述手腕臂的末端，且用于实现轴向旋转的旋转部。本发明中的五关节机器人，通过主机械臂的升降运动实现高度的定位，以及通过第一水平臂和第二水平臂的水平旋转，实现水平面任意位置的定位，并结合手腕臂和旋转部的运动，综合实现灵活的空间作业，且控制精度高。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种五关节机器人，包括依次连接的四个机械臂以及用于驱动机械臂运动的关节组件，其特征在于，所述机械臂包括：底座；

设置在底座上，用于实现竖直方向上移动的主机械臂；

与所述主机械臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第一水平臂；

与所述第一水平臂连接，且用于实现水平方向上旋转的第二水平臂；

设置在所述第二水平臂的末端，且用于实现竖直方向上旋转的手腕臂；

设置在所述手腕臂的末端，且用于实现轴向旋转的旋转部；

所述关节组件包括：设置在所述底座上，用于驱动主机械臂在竖直方向上运动的第一关节组件；

设置在所述主机械臂与所述第一水平臂的连接处，用于驱动所述第一水平臂在水平方向上转动的第二关节组件；

设置在所述主机械臂与所述第一水平臂的连接处，用于驱动所述第二水平臂在水平方向上转动的第三关节组件；

设置在所述第二水平臂与所述手腕臂的连接处，用于驱动所述手腕臂在竖直方向上旋转的第四关节组件；

所述第一关节组件包括：固定于底座上的第一电机；与所述第一电机的输出轴固定相连的第一同步带轮组件；沿竖直方向设置，且末端与所述第一同步带轮组件紧固连接，用于通过所述输出轴带动实现旋转的丝杆；与所述丝杆适配的丝杆螺母；所述丝杆螺母与主机械臂固定连接；

所述丝杆的两端封闭套设有轴承组件，所述轴承组件固定于所述底座上，通过所述轴承组件实现所述丝杆的定位；

所述第二关节组件包括：固定于主机械臂上的第二电机，所述第二电机的输出轴与第一水平臂固定连接；

固定在所述主机械臂上的第二谐波减速机；

以及连接于所述第二电机与所述第二谐波减速机之间的第二同步带轮组件；

所述第三关节组件包括：固定于主机械臂上的第三电机和第三同步带轮组件A；

位于第一水平臂内的第三同步带轮组件B；

分别与第三同步带轮组件A以及第三同步带轮组件B连接，且用于将第三电机的动力通过第三同步带轮组件A传递至第三同步带轮组件B的传动轴；

所述第三同步带轮组件B的另一端与所述第二水平臂固定连接；

所述第四关节组件包括：固定在第二水平臂上的第四电机；位于第二水平臂内的第四同步带轮组件；第四同步带轮组件的一端与第二水平臂固定连接；另一端与手腕臂固定连接。

2.根据权利要求1所述的五关节机器人，其特征在于，所述底座设置为腔体结构，所述主机械臂的至少一部分部件设置在所述底座内。

3.根据权利要求1所述的五关节机器人，其特征在于，所述第二水平臂与第三同步带轮组件B之间设置有第三谐波减速机。

4.一种基于如权利要求1-3任一项所述的五关节机器人实现的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

步骤A、分别在所述五关节机器人的首端、末端以及各个机械臂之间的连接点处建立直角坐标系；

步骤B、基于正运动学控制方法或者逆运动学控制方法输入相应的变量，使各个机械臂完成期望的运动。

5.根据权利要求4所述的五关节机器人的控制方法，其特征在于，所述步骤B包括：

基于正运动学控制方法输入各个机械臂的运动量，获得末端坐标系相对于首端坐标系的位置与姿态，控制所述五关节机器人完成期望的运动轨迹；

或者，基于逆运动学控制方法输入末端坐标系相对于首端坐标系的位置与姿态，获得各个机械臂的运动量，控制所述五关节机器人完成期望的运动轨迹。