5 интересных советов по расчету прямой кинематики робота-манипулятора

Роботы могут принимать самые разные формы, от промышленных роботов для обработки материалов до автономных автомобилей. Но независимо от формы, которую они принимают, все они способны преобразовывать байты данных и электрические сигналы, чтобы воздействовать на окружающую среду.

Зачастую первым шагом в эффективном развертывании нового робота является расчет прямой кинематики (или упреждающей кинематики). Но прежде чем мы перейдем непосредственно к этим пяти интересным советам по расчету прямой кинематики робота, давайте сначала начнем с четкого определения слова «кинематика».

Кинематика, раздел классической механики, изучает движение точек, твердых тел и групп объектов без учета движущей силы, вызвавшей движение, или массы каждого объекта. Кинематические расчеты лежат в основе робототехники. Иногда этот процесс может быть довольно сложным, но он жизненно важен для работы с роботизированной рукой или роботом-манипулятором. Каждое соединение должно быть измерено как угол для достижения плавного вращения по определенной оси. Когда это будет достигнуто, концевой механизм может быть использован для достижения различных точек в пространстве.

На этом этапе важно отметить, что для каждого набора углов будет только один результат. Это должно быть рассчитано без какой-либо двусмысленности. Кроме того, важно понимать входные данные, чтобы лучше интерпретировать, как робот-манипулятор будет двигаться.

Совет 1: Документируйте все с помощью бумаги и карандаша

Когда вы начинаете работать с роботом, может возникнуть соблазн начать работать с ним прямо с компьютера. Однако вместо этого может быть очень полезно задокументировать все с помощью бумаги и карандаша. Даже если робот выглядит как ваш стандартный манипулятор 6R, гораздо проще и быстрее физически нарисовать прямую кинематическую схему карандашом. Участие в этом простом упражнении поможет устранить любые возможные ложные предположения и поможет вам сосредоточиться на фактической физической конфигурации робота.

Данный подход также может быть эффективным, когда речь идет о том, чтобы избежать потенциальных кошмаров в будущем (когда вы входите в фазу программирования проекта). Более того, независимо от вашего стиля рисования, обязательно четко укажите, как будет двигаться каждый сустав и в каком направлении.

Совет 2: Нарисуйте оси на каждом подвижном суставе

Когда вы работаете над своей диаграммой, важно начертить оси для каждого подвижного соединения. На самом деле вы даже можете назначить разные оси для каждого соединения, но важно убедиться, что это правильно. Если вы сделаете это неправильно, вам будет сложно заставить вашего робота работать должным образом. Как правило, лучше всего, если ось x лежит на кратчайшей ортогональной линии между текущей осью z и предыдущей осью z. Сама ось z должна лежать на оси вращения для призматического соединения, оси растяжения или вращательного соединения.

Совет 3: Подумайте, как будет работать концевой механизм

При расчете прямой кинематики робота вам нужно будет рассчитать положение конечного или концевого механизма по положению каждого сустава. Часто они не будут находиться на одном расстоянии от конечного сустава, поэтому очень важно учитывать, как будет работать концевой механизм.

Например, современные роботы с несколькими адаптивными захватами в виде пальцев намного сложнее и могут иметь разные режимы захвата. В результате будет небольшая разница в том, как каждый режим будет соответствовать желаемому положению рабочего органа. Это делает данный шаг ключевым фактором при формулировании прямой кинематической модели.

Совет 4: Тщательно рассчитайте свои параметры

При вводе модели робота в симулятор вам нужно будет выбрать параметры для проведения тестирования. Наиболее распространенным методом расчета прямой кинематики является параметр Денавита-Хартенберга или параметр DH.

Однако он далек от совершенства и часто не может элегантно обрабатывать параллельные оси Z. Другим вариантом является применение представлений теории винтов или выбор другого из множества решений для геометрического моделирования, доступных сегодня. Но независимо от метода, который вы выберете, вам сначала нужно убедиться, что кинематические библиотеки принимают такие параметры, поэтому параметр DH является разумным подходом для начала.

Поскольку параметр DH является наиболее распространенным методом, вы найдете несколько руководств, которые помогут вам эффективно разбить каждое роботизированное соединение на различные параметры. Каждый из них будет относиться к предыдущему соединению и будет рассчитываться относительно общей нормали (если текущая ось z и предыдущая ось z пересекаются, общая длина нормали будет равна нулю). На данном этапе важно записать каждый параметр, относящийся к каждому суставу. Это означает присвоение значения каждому суставу, которое будет переменной, представляющей приводимый в действие сустав.

Совет 5: Используйте программные библиотеки для расчета кинематики

Сегодня можно найти множество кинематических программных библиотек, и большинство из них делают гораздо больше, чем просто выполняют базовые вычисления. К некоторым из предлагаемых функций относятся:

• Планирование движения
• Визуализация
• Решение уравнений обратной кинематики

Эти библиотеки могут помочь быстро преобразовать параметры в матрицы, которыми затем можно манипулировать для расчета взаимосвязи между положениями суставов и положением конечного механизма. Если вы хорошо разбираетесь в программировании, вы также можете легко создать собственную библиотеку прямой кинематики. Отличные библиотеки для разработки, которые следует учитывать при разработке:

• Matlab Robotics Toolbox (автор Питер Корк)
• OpenRave
• ROS MoveIt

Расчет прямой кинематики робота – важный шаг в настройке нового манипулятора, но для достижения фактического контроля также потребуется некоторая инверсная кинематика. Лучше всего начать с прямой кинематики, а затем погрузиться в инверсную кинематику, когда почувствуете себя комфортно в данном деле проектирования.