SCARA型机械臂工作区域边界计算方法

罗汉杰. 一种机械臂的轨迹规划方法及装置:中国,201610452034[P/OL]. 2016-11-23 [2018-03-20]. https://patentimages.storage.googleapis.com/8a/5f/bc/325d10a3dee6fc/CN106041941A.pdf

SCARA(Selective Compliant Articulated Robot for Assembly)型机械臂是机械臂的一种。它拥有4个关节(图.1),其中\(J_1\)\(J_2\)\(J_4\)为转动关节,\(J_3\)为滑动关节。

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图. 1: SCARA型机械臂。
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图. 2: SCARA型机械臂工作区域。

图.2显示了机械臂的工作空间。在机械臂工作的过程中,很多任务需要知道机械臂可到达的边缘位置,比如在示教功能中,用户通过手持设备发送指令,使得机械臂一直沿某个方向直线运动,直至到达到工作区域的边缘时,速度和加速度将降为零。

传统的方法中,可以通过不断监测当前机械臂的是否已经是到达极限位置来实现。但是这种方法需要对路径上所有的位置点进行检测,效率低,计算量大。

在本文中,我们提出了一种基于几何的方法来确定SCARA型机械臂工作区域边缘的方法。给定起始点和方向后,能给出与该射线相交的最近的工作区域边缘位置。利用该方法,在机器人运动前就可以提前知道终点的位置,方便机器人进行运动学规划。

数学模型

我们按照图.3所示对SCARA型机械臂进行DH(Denavit-Hartenberg)坐标系分配。其中转动关节\(J_i\)的转动轴与各自的\(z_i\)轴互相平衡,臂长为\(\alpha _i\)\(\lbrace i\mid i \in \lbrace 1,2,4 \rbrace \rbrace\);滑动关节\(J_3\)的轴跟\(J_4\)的轴平行。

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图.3: SCARA型机械臂的DH坐标系分配。
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图.4: SCARA型机械臂工作区域俯视几何图。

图.3显示了SCARA型机械臂工作区域的俯视几何图。由图可知,机械臂工作区域边界是由\(\overparen{HAB}\)\(\overparen{BC}\)\(\overparen{CEG}\)\(\overparen{GH}\)四段圆弧所围成的。而圆弧分别位于\(\odot{O_1}\)\(\odot{O_2}\)\(\odot{O_3}\)\(\odot{O_4}\)四个圆上。圆心\(O_1\)\(O_4\)\(J_1\)轴重合;\(O_2\)\(O_3\)分别为\(J_1\)轴到转动到正负极限时\(J_2\)轴的位置。\(j_{Max}^i\)\(j_{Min}^i\)分别是电机轴\(J_i\)的正/负方向的最大活动范围,\(j_{Min}^i \le j_{Max}^i\)\(\lbrace j^i \mid - \pi \le j^i \le \pi \rbrace\)

由几何关系,我们可以得到:

表.1: 组成工作区域的4个圆弧的几何参数
圆弧 所在圆 圆心\((x_{O_i},y_{O_i})\) 半径\(r_i\) \(\theta _{Min}^i\) \(\theta _{Max}^i\)
\(\overparen{HAB}\) \(\odot{O_1}\) \({[0,0]}^{^\mathrm{T}}\) \(\alpha _1 + \alpha _2\) \(j_{Min}^1\) \(j_{Max}^1\)
\(\overparen{BC}\) \(\odot{O_2}\) \({[\alpha _1\cos(\theta _{Max}^1), \alpha _1\sin(\theta _{Max}^1)]}^{^\mathrm{T}}\) \(\alpha _2\) \(0\) \(j_{Max}^2\)
\(\overparen{CEG}\) \(\odot{O_3}\) \({[\alpha _1\cos(\theta _{Min}^1), \alpha _1\sin(\theta _{Min}^1)]}^{^\mathrm{T}}\) \(\alpha _2\) \(j_{Min}^2\) \(0\)
\(\overparen{GH}\) \(\odot{O_4}\) \({[0,0]}^{^\mathrm{T}}\) \(\left\lvert \overrightarrow {CO_4} \right\rvert\) \(\theta _{Min}^4\) \(\theta _{Max}^4\)

其中:

\[\begin{aligned} \overrightarrow {CO_4} &= \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\alpha _2\cos \theta _{Max}^2\cos \theta _{Max}^1 - \alpha _2\sin \theta _{Max}^2\sin \theta _{Max}^1 + \alpha _1\cos \theta _{Max}^1} \newline {\alpha _2\cos \theta _{Max}^2\sin \theta _{Max}^1 + \alpha _2\sin \theta _{Max}^2\cos \theta _{Max}^1 + \alpha _1\sin \theta _{Max}^1} \end{array}} \right] \newline &= \left[ {f_x}(\theta _{Max}^1,\theta _{Max}^2), {f_y}(\theta _{Max}^1,\theta _{Max}^2) \right]^{^\mathrm{T}} \newline \newline \theta _{Max}^4 &= \arctan({f_y}(\theta _{Max}^1,\theta _{Max}^2), {f_x}(\theta _{Max}^1,\theta _{Max}^2)) \newline \newline \theta _{Min}^4 &= \arctan({f_y}(\theta _{Min}^1,\theta _{Min}^2), {f_x}(\theta _{Min}^1,\theta _{Min}^2)) \end{aligned}\]

假设点\(s(x,y)\)是圆\(\odot{O_i}\)边上的一个点,则点\(s\)相对于圆\(\odot{O_i}\)的弧度\(\theta ^i\)为:

\[\begin{equation} \label{SCARA_range_e1} \theta ^i = \begin{cases} \arctan(y, x), & \text{if i=1} \newline \arctan( - x\sin \theta _{Max}^1 + y\cos \theta _{Max}^1,x\cos \theta _{Max}^1 + y\sin \theta _{Max}^1), & \text{if i=2} \newline \arctan( - x\sin \theta _{Min}^1 + y\cos \theta _{Min}^1,x\cos \theta _{Min}^1 + y\sin \theta _{Min}^1), & \text{if i=3} \newline \arctan(y, x), & \text{if i=4} \end{cases} \end{equation}\]

我们假设有射线\(R(u)=I+u \cdot \lVert \mathbf{n} \rVert\),起点为\(I\),方向向量为\(\mathbf{n}\)\(\lVert \mathbf{n} \rVert\)为方向向量\(\mathbf{n}\)的单位向量。如果起点在工作区域内,则射线必与某圆\(\odot{O_i}\)有交点\(\kappa _j^{i}\)\(\kappa ^i\)为射线与圆\(\odot{O_i}\)的所有交点。\(\xi = \lbrace \kappa ^i \rbrace\)\(\xi\)为所有交点的集合。

图.5显示了其中的一种情况,射线\(IP\)分别与圆\(\odot{O_1}\)相交于点\(N\);与圆\(\odot{O_2}\)相交于点\(K\)和点\(M\);与圆\(\odot{O_4}\)相交于点\(J\)和点\(L\);与圆\(\odot{O_3}\)没有交点。我们也可以发现,点\(K\)\(N\)虽然在圆上,但是并不在工作区域的弧线上,所以我们在得到交点后,还要查看此时的弧度\(\theta ^i\)是否满足\(\theta _{Min}^i \le \theta ^i \le \theta _{Max}^i\)。点\(J\)为离射线起点最近的有效交点,是我们所寻找的点。

Scara_range_report2 图.5: 射线IP与圆\(\odot{O_1}\)相交于点\(N\)\(\odot{O_2}\)相交于点\(M\)\(K\)\(\odot{O_4}\)相交于点\(L\)\(J\)。其中点\(J\)为射线方向的最近工作区域边缘位置。

算法流程

射线与圆的交点

为了确定与给出射线相交的最近的工作区域边缘位置,我们分别计算出射线与每一个圆的交点集\(\kappa ^i\)。求射线与圆的交点,可以使用传统的参数方程法求交点,另一种方法是使用Akenine-Möller等提出的优化法12,算法流程如下:

SCARA射线圆伪代码
算法.1:Akenine-Möller优化法

该算法的优点是在计算交点前,先排除掉没有交点的情况,从而减少运算量。

整个算法流程

输入: 1. 射线\(R(u)=I+u \cdot \lVert \mathbf{n} \rVert\) 2. 轴\(J_1\)\(J_2\)各自的臂长\(\alpha_{1}\)\(\alpha_{2}\)以及活动范围$j_{Max}^1 \(,\) j_{Min}^1 \(,\) j_{Max}^2 \(,\) j_{Min}^2$。

输出: 1. 最近的工作区域边缘位置\(\kappa_{intersection}\)

SCARA边缘计算流程图
算法.2: 边缘计算流程图

  1. http://www.twinklingstar.cn/2015/2479/programmers_computational_geometry-bounding_volumes/↩︎

  2. Tomas Akenine-Möller, Eric Haines, and Naty Hoffman. Real-time rendering, second edition. AK, 2002.
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