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UR5构型机械臂正逆运动学

UR5构型机械臂正逆运动学

前言

整理之前的一个项目,当时看着一个博客硬生生计算了差不多一个星期。尝试用MatLab符号推导工具箱化简一部分工作。我使用的大象机器人一款开源入门级协作机器人产品myCobot,开发文档十分完善,但是有部分技术没有开源,如正逆运动学(Forward and inverse kinematics, KF/IK),因此我自己尝试实现了。机器人的具体型号:myCobot 280 M5 2020款。

UR5构型机械臂正逆运动学

reference

官方文档:https://docs.elephantrobotics.com/docs/gitbook/

UR构型机械臂正逆运动学模型:https://zhuanlan.zhihu.com/p/391202773

6轴机械臂正逆解运算实现:https://blog.csdn.net/weixin_44562141/article/details/108760576

DH参数表

UR5构型机械臂正逆运动学

myCobot的DH参数为修正DH参数,串联坐标系之间的变换关系为

  1. x轴为转轴逆时针(从箭头方向从上往下看)旋转alpha度;
  2. x轴平移长度a
  3. z轴为转轴逆时针旋转theta+offset度(图中绘制的是theta=0的情形);
  4. 沿z轴平移长度d(单位为mm);

利用上图信息填写参数表如下

Joint alpha a d theta offset
1 0 0 131.56 theta_1 0
2 PI/2 0 0 theta_2 -PI/2
3 0 -110.4 0 theta_3 0
4 0 -96 64.62 theta_4 -PI/2
5 PI/2 0 73.18 theta_5 PI/2
6 PI/2 0 48.6 theta_6 0

正运动学

为了将旋转运动与平移运动统一描述,引入齐次坐标系。

z轴为转轴逆时针旋转theta+offset度,沿z轴平移长度d,对应的变换矩阵
Rz=[cosθ−sinθ00sinθcosθ00001d0001]R_z=\\begin{bmatrix} cos\\theta & -sin\\theta & 0 & 0\\\\ sin\\theta & cos\\theta & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 1 & d\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix} Rz=cosθsinθ00sinθcosθ00001000d1

x轴为转轴逆时针旋转alpha度,以x轴平移长度a,对应的变换矩阵为
Rx=[100a0cosα−sinα00sinαcosα00001]R_x=\\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & a\\\\ 0 & cos\\alpha & -sin\\alpha & 0\\\\ 0 & sin\\alpha & cos\\alpha & 0\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix} Rx=10000cosαsinα00sinαcosα0a001

串联坐标系Ti−1T_{i-1}Ti1TiT_{i}Ti之间变换描述为
Tii−1=RzRx=[cosθi−sinθi0aicosαisinθicosαisinθi−sinαi−disinαisinαicosθisinαicosθicosαidicosαi0001]T_{i}^{i-1}=R_zR_x= \\begin{bmatrix} cos{\\theta_i} & -sin{\\theta_i} & 0 & a_i\\\\ cos{\\alpha_i}sin{\\theta_i} & cos{\\alpha_i}sin{\\theta_i} & -sin\\alpha_i & -d_isin{\\alpha_i}\\\\ sin{\\alpha_i}cos{\\theta_i} & sin{\\alpha_i}cos{\\theta_i} & cos{\\alpha_i} & d_icos{\\alpha_i}\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix} Tii1=RzRx=cosθicosαisinθisinαicosθi0sinθicosαisinθisinαicosθi00sinαicosαi0aidisinαidicosαi1
因为对x轴变换在先,将RxR_xRx放在右侧。这个矩阵可以描述如何将坐标系Ti−1T_{i-1}Ti1变换为TiT_iTi,也可以描述将在TiT_iTi中的坐标点变换到Ti−1T_{i-1}Ti1中,即在坐标系下的表示。

将DH参数表代入上面的变换矩阵,写出每个Tii−1T_{i}^{i-1}Tii1变换矩阵

(符号简化表达:cosθi=ci,sinθi=si,sin(θ1+θ2)=s12,cos(θ1+θ2)=c12cos\\theta_i=c_i,sin\\theta_i=s_i,sin(\\theta_1+\\theta_2)=s_{12},cos(\\theta_1+\\theta_2)=c_{12}cosθi=ci,sinθi=si,sin(θ1+θ2)=s12,cos(θ1+θ2)=c12,以此类推)
T10=[c1−s100s1c100001d10001]T21=[c2−s20000−10s2c2000001]T32=[c3−s30a3s3c30000100001]T43=[c4−s40a4s4c400001d40001]T54=[c5−s50000−1−d5s5c5100001]T65=[c6−s600001−d6−s6−c6000001]T_{1}^{0}=\\begin{bmatrix} c_1 & -s_1 & 0 & 0\\\\ s_1 & c_1 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 1 & d_1\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ T_{2}^{1}=\\begin{bmatrix} c_2 & -s_2 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & -1 & 0\\\\ s_2 & c_2 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ T_{3}^{2}=\\begin{bmatrix} c_3 & -s_3 & 0 & a_3\\\\ s_3 & c_3 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 1 & 0\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ T_{4}^{3}=\\begin{bmatrix} c_4 & -s_4 & 0 & a_4\\\\ s_4 & c_4 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 1 & d_4\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ T_{5}^{4}=\\begin{bmatrix} c_5 & -s_5 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & -1 & -d_5\\\\ s_5 & c_5 & 1 & 0\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ T_{6}^{5}=\\begin{bmatrix} c_6 & -s_6 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 1 & -d_6\\\\ -s_6 & -c_6 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ T10=c1s100s1c100001000d11T21=c20s20s20c2001000001T32=c3s300s3c3000010a3001T43=c4s400s4c4000010a40d41T54=c50s50s50c5001100d501T65=c60s60s60c6001000d601
在知道每个电机的转角θi\\theta_iθi的情况下,每个矩阵是确定的。这里设末端位姿在T6T_6T6坐标系下的表示为单位矩阵,因此,末端在世界坐标系下的表示为
T60=T10T21T32T43T54T65IT^{0}_{6}=T_{1}^{0}T_{2}^{1}T_{3}^{2}T_{4}^{3}T_{5}^{4}T_{6}^{5}I T60=T10T21T32T43T54T65I
至此,求出机械臂末端在T0T_0T0坐标系(通常设为世界坐标系)下的表示,完成机械臂正运动学的求解。

逆运动学

现已知末端的位姿矩阵,但θi\\theta_iθi未知,因而上面Ti−1iT_{i-1}^{i}Ti1i矩阵不确定,得到下面等式
T60=T10T21T32T43T54T65=[nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001]T^{0}_{6}=T_{1}^{0}T_{2}^{1}T_{3}^{2}T_{4}^{3}T_{5}^{4}T_{6}^{5} =\\begin{bmatrix} n_x & o_x & a_x & p_x\\\\ n_y & o_y & a_y & p_y\\\\ n_z & o_z & a_z & p_z\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ T60=T10T21T32T43T54T65=nxnynz0oxoyoz0axayaz0pxpypz1
左右乘以T10T_{1}^{0}T10的逆,得
T61=T21T32T43T54T65=[c1s100−s1c100001−d10001][nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001]=[c234c5c6−s234s6c234c5s6−s234c6−c234s5a4c23+a3c2+d5s234−d6c234s5−s5c6s5s6−c5−d6c5−d4s234c5c6+c234s6c234s6−s234c5c6−s234s5a4s23+a3s2−d5c234−d6s234s50001]T^{1}_{6}=T_{2}^{1}T_{3}^{2}T_{4}^{3}T_{5}^{4}T_{6}^{5} =\\begin{bmatrix} c_1 & s_1 & 0 & 0\\\\ -s_1 & c_1 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 1 & -d_1\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix} \\begin{bmatrix} n_x & o_x & a_x & p_x\\\\ n_y & o_y & a_y & p_y\\\\ n_z & o_z & a_z & p_z\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ =\\begin{bmatrix} c_{234}c_5c_6-s_{234}s_6 & c_{234}c_5s_6-s_{234}c_6 & -c_{234}s_5 & a_4c_{23}+a_3c_2+d_5s_{234}-d_6c_{234}s_{5}\\\\ -s_5c_6 & s_5s_6 & -c_5 & -d_6c_5-d_4\\\\ s_{234}c_5c_6+c_{234}s_6 & c_{234}s_6-s_{234}c_5c_6 & -s_{234}s_5 & a_{4}s_{23}+a_3s_2-d_5c_{234}-d_{6}s_{234}s_5\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix} T61=T21T32T43T54T65=c1s100s1c100001000d11nxnynz0oxoyoz0axayaz0pxpypz1=c234c5c6s234s6s5c6s234c5c6+c234s60c234c5s6s234c6s5s6c234s6s234c5c60c234s5c5s234s50a4c23+a3c2+d5s234d6c234s5d6c5d4a4s23+a3s2d5c234d6s234s51
这里d6d_6d6这一项是末端坐标系的z向偏移,可以和末端执行器一起考虑(这个机械臂配了一个夹爪,在运动学建模中最后也是一个z向偏移),设其长度为lll,左乘该变换矩阵的逆,得到
[nxoxaxpx′nyoyaypy′nzozazpz′0001]=[nxoxaxpx−ax(d6+l)nyoyaypy−ay(d6+l)nzozazpz−az(d6+l)0001]\\begin{bmatrix} n_x & o_x & a_x & p_x'\\\\ n_y & o_y & a_y & p_y'\\\\ n_z & o_z & a_z & p_z'\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ =\\begin{bmatrix} n_x & o_x & a_x & p_x-a_x(d_6+l)\\\\ n_y & o_y & a_y & p_y-a_y(d_6+l)\\\\ n_z & o_z & a_z & p_z-a_z(d_6+l)\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ nxnynz0oxoyoz0axayaz0pxpypz1=nxnynz0oxoyoz0axayaz0pxax(d6+l)pyay(d6+l)pzaz(d6+l)1
这样原先的d6d_6d6一项可以置为0得到
[c1s100−s1c100001−d10001][nxoxaxpx′nyoyaypy′nzozazpz′0001]=[c234c5c6−s234s6c234c5s6−s234c6−c234s5a4c23+a3c2+d5s234−s5c6s5s6−c5−d4s234c5c6+c234s6c234s6−s234c5c6−s234s5a4s23+a3s2−d5c2340001]\\begin{bmatrix} c_1 & s_1 & 0 & 0\\\\ -s_1 & c_1 & 0 & 0\\\\ 0 & 0 & 1 & -d_1\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix} \\begin{bmatrix} n_x & o_x & a_x & p_x'\\\\ n_y & o_y & a_y & p_y'\\\\ n_z & o_z & a_z & p_z'\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix}\\\\ =\\begin{bmatrix} c_{234}c_5c_6-s_{234}s_6 & c_{234}c_5s_6-s_{234}c_6 & -c_{234}s_5 & a_4c_{23}+a_3c_2+d_5s_{234}\\\\ -s_5c_6 & s_5s_6 & -c_5 & -d_4\\\\ s_{234}c_5c_6+c_{234}s_6 & c_{234}s_6-s_{234}c_5c_6 & -s_{234}s_5 & a_{4}s_{23}+a_3s_2-d_5c_{234}\\\\ 0 & 0 & 0 & 1\\\\ \\end{bmatrix} c1s100s1c100001000d11nxnynz0oxoyoz0axayaz0pxpypz1=c234c5c6s234s6s5c6s234c5c6+c234s60c234c5s6s234c6s5s6c234s6s234c5c60c234s5c5s234s50a4c23+a3c2+d5s234d4a4s23+a3s2d5c2341

由矩阵两边(2,4)位置对应相等得
−s1px+c1py=−d4θ1=atan2(py,px)−atan2(−d4,±px2+py2−d42)-s_{1}p_x+c_1p_y=-d_4\\\\ \\theta_1=atan2(p_y,p_x)-atan2(-d_4,\\pm\\sqrt{p_x^2+p_y^2-d_4^2}) s1px+c1py=d4θ1=atan2(py,px)atan2(d4,±px2+py2d42)

求解:asinθ+bcosθ=casin\\theta+bcos\\theta=casinθ+bcosθ=c

利用和角公式得a2+b2cos(θ−β)=c\\sqrt{a^2+b^2}cos(\\theta-\\beta)=ca2+b2cos(θβ)=c

其中b=cosβ,a=sinβb=cos\\beta,a=sin\\betab=cosβ,a=sinβ

代入1+tan2θ=1cos2θ1+tan^2\\theta=\\frac{1}{cos^2\\theta}1+tan2θ=cos2θ1

tan(θ−β)=±a2+b2−c2ctan(\\theta-\\beta)=\\pm\\frac{\\sqrt{a^2+b^2-c^2}}{c}tan(θβ)=±ca2+b2c2

tan(π2−θ+β)=±ca2+b2−c2tan(\\frac{\\pi}{2}-\\theta+\\beta)=\\pm\\frac{c}{\\sqrt{a^2+b^2-c^2}}tan(2πθ+β)=±a2+b2c2c

π2−θ+β=atan2(c,±a2+b2−c2)\\frac{\\pi}{2}-\\theta+\\beta=atan2(c,\\pm\\sqrt{a^2+b^2-c^2})2πθ+β=atan2(c,±a2+b2c2)

由于b=cosβ=sin(π2+β),a=sinβ=−cos(π2+β)b=cos\\beta=sin(\\frac{\\pi}{2}+\\beta),a=sin\\beta=-cos(\\frac{\\pi}{2}+\\beta)b=cosβ=sin(2π+β),a=sinβ=cos(2π+β)

θ=atan2(b,−a)−atan2(c,±a2+b2−c2)\\theta=atan2(b,-a)-atan2(c,\\pm\\sqrt{a^2+b^2-c^2})θ=atan2(b,a)atan2(c,±a2+b2c2)

(2,1),(2,2),(2,4)等式:
−s1nx+c1ny=−s5c6(5)−s1ox+c1oy=s5s6(6)−s1ax+c1ay=−c5(7)-s_1n_x+c_1n_y=-s_5c_6 (5)\\\\ -s_1o_x+c_1o_y=s_5s_6 (6)\\\\ -s_1a_x+c_1a_y=-c_5 (7) s1nx+c1ny=s5c6(5)s1ox+c1oy=s5s6(6)s1ax+c1ay=c5(7)
(5)(6)式得
s5=±(−s1nx+c1ny)2+(−s1ox+c1oy)2(8)s_5=\\pm\\sqrt{(-s_1n_x+c_1n_y)^2+(-s_1o_x+c_1o_y)^2} (8) s5=±(s1nx+c1ny)2+(s1ox+c1oy)2(8)

(7)(8)
θ5=atan2(s5,s1ax−c1ay)\\theta_5=atan2(s_5,s_1a_x-c_1a_y) θ5=atan2(s5,s1axc1ay)
s5≠0s_5\\neq0s5=0时,由(5)(6)式得
θ6=atan2(−s1ox+c1oys5,s1nx−c1nys5)\\theta_6=atan2(\\frac{-s_1o_x+c_1o_y}{s_5},\\frac{s_1n_x-c_1n_y}{s_5}) θ6=atan2(s5s1ox+c1oy,s5s1nxc1ny)
​ 当s5=0s_5=0s5=0,即θ5=0,π\\theta_5=0,\\piθ5=0,π时,此时机械臂机构发生奇异,无法求出θ6\\theta_6θ6

得到θ1,θ5,θ6\\theta_1,\\theta_5,\\theta_6θ1,θ5,θ6之后,剩余的三个关节均在一个平面转动,问题退化为二维。

(1,3),(3,3)等式:
az=−s234s5c1ax+s1ay=−c234s5a_z=-s_{234}s_5\\\\ c_1a_x+s_1a_y=-c_{234}s_5 az=s234s5c1ax+s1ay=c234s5
将两式相除得到
θ234=atan2(−azs5,−c1ax+s1ays5)\\theta_{234}=atan2(-\\frac{a_z}{s_5},-\\frac{c_1a_x+s_1a_y}{s_5}) θ234=atan2(s5az,s5c1ax+s1ay)
(1,4),(3,4)等式:
c1px+s1py=a4c23+a3c2+d5s234(13)pz−d1=a4s23+a3s2−d5c234(14)c_1p_x+s_1p_y=a_4c_{23}+a_3c_2+d_5s_{234} (13)\\\\ p_z-d_1=a_4s_{23}+a_3s_2-d_5c_{234} (14) c1px+s1py=a4c23+a3c2+d5s234(13)pzd1=a4s23+a3s2d5c234(14)
消去θ23\\theta_{23}θ23
−As2+Bc2=C-As_2+Bc_2=C As2+Bc2=C
其中,
A=2B2a3B=2B1a3C=B12+B22+a32−a42B1=c1px+s1py−d5s234B2=pz−d1+d5c234A=2B_2a_3\\\\ B=2B_1a_3\\\\ C=B_1^2+B_2^2+a_3^2-a_4^2\\\\ B_1=c_1p_x+s_1p_y-d_5s_{234}\\\\ B_2=p_z-d_1+d_5c_{234} A=2B2a3B=2B1a3C=B12+B22+a32a42B1=c1px+s1pyd5s234B2=pzd1+d5c234
从而得到
θ2=atan2(B,A)−atan2(C,±A2+B2−C2)\\theta_2=atan2(B,A)-atan2(C,\\pm\\sqrt{A^2+B^2-C_2}) θ2=atan2(B,A)atan2(C,±A2+B2C2)
θ1,θ2,θ234\\theta_1,\\theta_2,\\theta_{234}θ1,θ2,θ234代入(13)(14)
s23=B2−a3s2a4c23=B1−a3c2a4s_{23}=\\frac{B_2-a_3s_2}{a_4}\\\\ c_{23}=\\frac{B_1-a_3c_2}{a_4} s23=a4B2a3s2c23=a4B1a3c2
进而可得
θ23=atan2(B2−a3s2a4,B1−a3c2a4)θ3=θ23−θ2θ4=θ234−θ23\\theta_{23}=atan2(\\frac{B_2-a_3s_2}{a_4},\\frac{B_1-a_3c_2}{a_4})\\\\ \\theta_3=\\theta_{23}-\\theta_2\\\\ \\theta_4=\\theta_{234}-\\theta_{23} θ23=atan2(a4B2a3s2,a4B1a3c2)θ3=θ23θ2θ4=θ234θ23
至此,求出了6个关节的转角,一共有8组解。对于简单任务如抓取可以任取一组可行解;但是,对于一些如路径规划类任务需要考虑与当前状态“相近”的解,机械臂可以以最小成本完成动作到达目标位姿。