方方闻怡，梁〓医，冯虎田
(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京〓210094)
摘要：以轨道摇臂摄影机器人作为研究对象，对机器人底盘在轨道上行走的实际轨迹进行分析。将底盘假设为一个特殊关节来建模，结合上层结构的关节参数，运用D-H法得到机器人整体的运动学正解。最后简化运动学逆问题，假设底盘固定不动，得到机器人上层结构的运动学逆解，为轨道摇臂摄影机器人的控制提供了依据。
关键词：D-H法；轨道摇臂摄影机器人；运动学建模
中图分类号：TH692.9〓〓〓文献标识码：A〓〓〓文章编号：2095-509X(2021)08-0015-06

随着信息技术的不断进步、社会经济的不断发展，越来越多的电视节目制作单位使用了虚拟演播室［1］。为了使制作出的电视节目具有更好的表现力，往往需要大量的场景及道具，这会增加各项成本，而虚拟演播室可以将真实的人与物合成到虚拟的场景中，这无疑更加快捷与经济［2］。为了将虚拟演播技术与摄像画面实时完美结合，需要将摄像机拍摄轨迹完美再现，而这依靠人工操作是无法实现的。多层单一原始素材混合成复合画面的过程即为视觉特效与拍摄画面完美结合的合成技术［3］。这一技术的实现需要得到机器人准确的位姿信息，这一点非常重要。
D-H法是Denavit和Hartenberg在1955年提出的一种通用方法，即在机器人的每个连杆上都固定一个坐标系，然后用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的空间关系［4-6］。通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程。Waldron和Pail、Craig修正的D-H法应用已经非常普遍［7］，工业机器人的分析与控制中也大量使用了D-H法；PTZ云台姿态测量和配套的虚拟演播室合成的应用在国内也有了一定成果［8］。
本文对轨道摇臂摄影机器人底盘运动进行分析，并采用D-H法分析轨道摇臂摄影机器人的运动学关系，得到摄影机器人准确的运动学正逆解。在已知关节变量和杆件参数的情况下，通过机器人运动学正解可以求得末端执行器的位姿；在已知末端执行器位姿和杆件参数时可以运用运动学反解求得杆件的关节变量。

1〓轨道摇臂机器人结构简介
图 1为轨道摇臂摄影机器人三维示意图。摄影机器人由云台部分、摇臂（俯仰）部分、旋转部分、行走部分组成。除去行走部分，其他部分统称为上层结构。云台部分承载摄像机，并完成摄像机本身的俯仰与旋转运动；摇臂（俯仰）部分和旋转部分完成摇臂机器人的俯仰与旋转运动；摇臂（俯仰）部分是一个平行四边形的结构，无论摇臂在什么位姿，都能保证云台呈水平放置；机器人的行走由行走部分以轮轨运动的方式完成。底盘4个轮腿中，主动轮和其对角线的轮在转轴的轴向方向上没有空隙，而另一对角线上的两组轮子在转轴的轴向上可以窜轴；镜头编码器安装在摄像机镜头的变焦/聚焦齿轮上，从而能够测量其转过的角度。

〖图1〓轨道摇臂摄影机器人结构示意图
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51605225）；国家重点实验室开放课题（MSV201812）
作者简介：方方闻怡（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为摇臂摄影机器人的机械设计与结构优化，627584185@qq.com.