[發明專利]一種冗余度機械臂加速度層運動規劃的初始化方法

有效

• 申請號: 201510843147.1
• 申請日: 2015-11-26
• 公開（公告）號: CN105598984B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 郭東生;聶卓赟;晏來成;金福江
• 申請（專利權）人: 華僑大學
• 主分類號: B25J13/00
• 分類號: B25J13/00;B25J9/16;G06F19/00
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司35204
• 代理人: 張松亭

技術領域

本發明涉及冗余度機械臂加速度層運動規劃領域，具體涉及一種冗余度機械臂加速度層運動規劃的初始化方法。

背景技術

冗余度機械臂是一種末端能動的機械裝置，其自由度多于執行末端任務所需最少自由度；目前已廣泛應用于裝備制造、產品加工、機器作業等國民經濟生產活動中。冗余度機械臂在工作空間中不同的位置執行任務時，當結束一個任務后，往往需要從當前位置移動到下一個任務的執行位置。一般而言，冗余度機械臂從當前位置移動到下一個任務的執行位置，都是通過慢慢轉動機械臂各個關節并不斷調整來實現。然而，這種做法是相當繁瑣且存在著不足的：每次改變任務操作位置時都有可能需要多次度量各個關節角度以使機械臂準確到達其執行任務的位置；并且任務執行位置測量或調整的不準確也將影響到機械臂正常/成功完成所要求的任務。

發明內容

本發明的目的在于克服一般技術的不足，提供一種操作方便、工作量少、作業規范且是在加速度層上實現的冗余度機械臂運動規劃初始化方法。

本發明提供的技術方案如下：一種冗余度機械臂加速度層運動規劃的初始化方法，包括以下步驟：

1)啟動機械臂控制器，將冗余度機械臂調節到其極限位置，具體操作是依次驅動機械臂各個關節的電機使其最終達到各自的極限位置；

2)將步驟1)的極限位置作為起始值，并設定機械臂任務執行位置作為終止值，建立基于二次型優化描述的加速度層位置調整方案，所述的調整方案受約束于關節角度極限、關節速度極限和關節加速度極限；對于擁有n自由度的機械臂而言，加速度層位置調整方案設計為：

最小化

其中，設計參數γ＞0∈R，上標^T表示矩陣或向量的轉置；θ∈Rⁿ表示關節角度，表示關節速度，表示關節加速度；θ_d∈Rⁿ為機械臂任務執行初始位置；加速度層位置調整方案受約束于：θ^-≤θ≤θ⁺，

其中，θ^±∈Rⁿ、和分別表示關節角度極限、關節速度極限和關節加速度極限；

3)將步驟2)的加速度層位置調整方案利用數值算法進行求解；

4)下位機控制器根據步驟3)的求解結果，驅動機械臂使其由極限位置轉動到任務執行位置。

在本發明的較佳實施例中，步驟2)中，將機械臂的關節極限轉化為在加速度層上描述的雙端約束，具體操作是利用約束轉換方法將θ^-≤θ≤θ⁺，和轉化描述為一個基于關節加速度的雙端約束，即，其中η^-∈Rⁿ和η⁺∈Rⁿ的第i個元素分別定義為和關節極限轉換參數k₁＞0∈R和k₂＞0∈R，關節極限轉換裕量

在本發明的較佳實施例中，步驟3)中，通過數值算法對加速度層位置調整方案進行求解，具體操作是將所述加速度層位置調整方案進一步變換為分段線性投影方程，從而構造相應的數值算法進行求解。

本發明中的冗余度機械臂加速度層運動規劃的初始化方法通過先將冗余度機械臂調節到其極限位置，而后利用該極限位置作為起始值，并設定機械臂任務執行位置作為終止值，建立基于二次型優化描述的加速度層位置調整方案，而后利用數值算法對加速度層位置調整方案求解，最后通過該求解結果驅動機械臂使其由極限位置轉動到任務執行位置，該冗余度機械臂加速度層運動規劃的初始化方法具有操作方便、工作量小、作業規范的優點。

具體實施方式

一種冗余度機械臂加速度層運動規劃的初始化方法主要由冗余度機械臂調節到其極限位置、加速度層位置調整方案、數值算法求解器、下位機控制器、冗余度機械臂轉動到任務執行位置組成。

首先啟動機械臂控制器，將冗余度機械臂調節到其極限位置；再將該極限位置作為起始值，并設定機械臂任務執行位置作為終止值，從而建立基于二次型優化描述的加速度層位置調整方案；然后構造相應的數值算法來求解該加速度層位置調整方案；最后把求解結果用于驅動機械臂使其由極限位置轉動到任務執行位置。

基于最小化機械臂各個關節的當前位置與任務執行位置之間偏移量的思想，n自由度冗余度機械臂的加速度層位置調整方案可設計為：

最小化：

約束條件：θ^-≤θ≤θ⁺， (2)