[發明專利]一種具有抗噪特性的冗余度機械臂重復運動規劃方法

有效

• 申請號: 201611159120.1
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN106737670B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 郭東生;晏來成;聶卓赟
• 申請（專利權）人: 華僑大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 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

本發明提供了一種具有抗噪特性的冗余度機械臂重復運動規劃方法，如下：根據機械臂的雅可比矩陣等式，通過引入位置誤差反饋，設計具有抗噪特性的新型雅可比矩陣等式；結合所需要優化的性能指標，建立相應的重復運動規劃方案，所述的規劃方案受約束于新型雅可比矩陣等式、關節角度極限和關節速度極限；將上述的冗余度解析方案轉化為一個統一的二次型優化問題，并通過數值算法求解器對其進行求解；下位機控制器根據求解結果，驅動機械臂使其完成給定的規劃任務。本發明基于位置誤差反饋而設計的重復運動規劃方案，使得機械臂能夠在具有噪聲的情況下仍可完成給定的末端任務，并實現重復運動規劃的目的。

技術領域

本發明涉及冗余度機械臂的規劃及控制領域，具體涉及一種具有抗噪特性的冗余度機械臂重復運動規劃方法。

背景技術

冗余度機械臂是一種末端能動的機械裝置，其擁有的自由度要多于執行末端任務所需的最少自由度；已廣泛應用于裝備制造和產品加工等國民經濟生產活動中。冗余度機械臂的規劃和控制中容易存在的一個問題是關節角偏差問題，即，當機械臂末端的運動軌跡是閉合的，在完成給定的規劃任務后，機械臂各關節角變量在運動空間中的軌跡不是閉合的。為了解決關節角偏差問題(或稱，非重復運動問題)，目前已有多種有效的重復運動規劃方案被提出。然而，這些方案都是在不考慮噪聲的情況下進行研究的；一旦存在噪聲，那么它們將失效，從而無法使機械臂能夠正常/成功地完成所給定的規劃任務。

發明內容

本發明的目的在于克服現有方法的不足，提供一種具有抗噪特性的冗余度機械臂重復運動規劃方法。

為了實現上述發明目的，采用的技術方案如下。

一種具有抗噪特性的冗余度機械臂重復運動規劃方法，包括以下步驟：

根據機械臂的雅可比矩陣等式，通過引入位置誤差反饋，設計具有抗噪特性的新型雅可比矩陣等式；

結合所需要優化的最小化性能指標，建立具有抗噪特性的重復運動規劃方案，所述的規劃方案受約束于新型雅可比矩陣等式、關節角度極限和關節速度極限；

將具有抗噪特性的重復運動規劃方案轉化為一個統一的二次型優化問題，并通過數值算法求解器對該優化問題進行求解；

下位機控制器根據二次型優化問題的求解結果，驅動機械臂使其完成給定的規劃任務。

具有抗噪特性的新型雅可比矩陣等式設計為：

其中，設計參數α>0，β>0，且兩者滿足α²>β；θ表示機械臂關節角度，表示機械臂關節速度，J(θ)表示機械臂的雅可比矩陣；e(t)表示機械臂的位置誤差且

e(t)＝f(θ)-r_d，t表示時間，f表示一個非線性映射函數，r_d表示機械臂末端期望的運動軌跡；表示r_d的時間導數，τ表示積分變量。

具有抗噪特性的重復運動規劃方案設計為：

最小化

受約束于θ-≤θ≤θ+，

其中，設計參數λ>0，θ(0)表示機械臂關節的初始狀態，上標^T表示矩陣或向量的轉置；等式約束對應于機械臂在速度層的運動軌跡；θ^±和分別表示關節角度極限和關節速度極限。

將具有抗噪特性的重復運動規劃方案轉化為一個統一的二次型優化問題，其性能指標為x^Tx/2+p^Tx，約束條件為Ax＝b，x^-≤x≤x⁺，其中，p＝λ(θ-θ(0))，A＝J(θ)，x^±表示x的上下限。