[發明專利]一種基于NSGA-II算法的冗余度空間機械臂多目標優化方法

有效

• 申請號: 201610012687.X
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105676636B
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 高欣;杜明濤;吳昊鑫;孫漢旭;賈慶軒;王一帆;吳立凱
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于NSGA-II的冗余度空間機械臂多目標優化方法，其特征在于，所述方法步驟包括：

(1)將空間機械臂操作空間點到點的轉移任務從笛卡爾空間轉換至關節空間，利用正弦七次多項式插值法對空間機械臂關節變量進行參數化處理，將多項式系數序列進行編碼獲得NSGA-II算法種群中的個體；

(2)將空間機械臂各關節力矩均值和值最小、最大關節力矩最小以及關節最大角速度最小作為NSGA-II算法的優化目標；

(3)依據所述優化目標，利用NSGA-II算法對空間機械臂運行軌跡進行優化求解，獲得Pareto非支配解集；按照一定原則從得到的Pareto非支配解集中選取解，該原則具體為：當空間機械臂在執行大負載轉移任務時，關節輸出力矩則會相應增大，為保證空間機械臂的末端帶負載能力，則需要優先選擇使最大關節力矩較小的解；而當空間機械臂在執行空載轉移任務時，為使其能耗降低，則將關節力矩均值和作為主要優化目標，在選取最優解時優先選取使關節力矩均值和較小的解；該解所描述的運行軌跡能使空間機械臂關節力矩均值和、最大關節力矩和關節最大角速度同時得到優化。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，利用正弦七次多項式插值法對空間機械臂關節變量進行參數化處理，將多項式系數序列進行編碼獲得NSGA-II算法種群中的個體，包括：利用正弦七次多項式插值方法對各個關節進行插值遍歷，根據空間機械臂軌跡連續、速度連續的要求，基于正弦七次多項式插值法得出空間機械臂關節角表達式，再利用空間機械臂執行點到點的轉移任務時初始、終止狀態的關節角度、角速度、角加速度約束條件將正弦七次多項式系數用某幾個參數表示，將獲得的參數序列進行編碼作為NSGA-II算法種群中的個體；

基于正弦七次多項式插值法獲得的空間機械臂關節角的表達式為：

其中，

c₁＝(θ_{i_max}-θ_{i_min})/2

c₂＝(θ_{i_max}+θ_{i_min})/2

θ_i(T)表示第i個關節的關節角，i＝1,2,...,7，a_i0,a_i1,...a_i7為七次多項式系數，θ_{i_max}和θ_{i_min}分別為空間機械臂在滿足任務要求條件下第i個關節角的最大和最小值；

利用空間機械臂執行點到點的轉移任務時的初始、終止關節角度、角速度、角加速度約束條件建立關節角約束方程為：

q_int＝θ_int

q_des＝θ_des

其中q_int，分別為空間機械臂關節角表達式所描述的所述空間機械臂執行點到點的轉移任務時的初始關節角度，角速度以及角加速度；q_des，分別為空間機械臂關節角表達式所描述的所述空間機械臂執行點到點的轉移任務時的終止關節角度，角速度以及角加速度；θ_int,θ_des是任務給定的初始及終止的關節角度；

將a_i6和a_i7選為參數，對空間機械臂關節角進行正弦七次多項式插值，每個表達式中的8個多項式系數均通過a_i6和a_i7兩個未知參數表示，具體表示如下：

a_i1＝a_i2＝0

其中t_f為規劃時間；所述參數序列表示為a＝[a₁₆,a₁₇,a₂₆,…a₇₆,a₇₇]，對其中的每個參數進行二進制編碼，根據空間機械臂特定任務對軌跡規劃精度的要求，編碼長度為n個二進制位；則得到的NSGA-II算法中種群的每個個體由14×n個二進制位表示。