[發(fā)明專(zhuān)利]多約束條件下七自由度仿人機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)擬人臂構(gòu)型優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611195421.X
• 申請(qǐng)日: 2016-12-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106584461B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏晶;馬宏偉;趙建;劉鵬;王川偉;尚萬(wàn)峰;薛旭升
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B25J9/16
• 分類(lèi)號(hào): B25J9/16;G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 宋詩(shī)非

1.多約束條件下七自由度仿人機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)擬人臂構(gòu)型優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括可用臂構(gòu)型描述部分和擬人臂構(gòu)型冗余解優(yōu)化部分；

可用臂構(gòu)型描述部分包括：

步驟一、根據(jù)仿人機(jī)械臂末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算滿足關(guān)節(jié)限位條件的仿人機(jī)械臂自運(yùn)動(dòng)的范圍；

該步驟的具體過(guò)程為：

以第二關(guān)節(jié)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維基坐標(biāo)，沿著所述運(yùn)動(dòng)軌跡給定仿人機(jī)械臂末端執(zhí)行器相對(duì)于所述三維基坐標(biāo)的期望位置和期望姿態(tài)，通過(guò)建立基于臂角的仿人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型獲得第一至第七關(guān)節(jié)角與臂角的關(guān)系；

第一關(guān)節(jié)至第七關(guān)節(jié)依次分布在所述仿人機(jī)械臂的基座與末端執(zhí)行器之間；

根據(jù)第一至第七關(guān)節(jié)角與臂角的關(guān)系，將第二關(guān)節(jié)和第六關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍分別分為正負(fù)兩個(gè)區(qū)域，進(jìn)而將整個(gè)臂角區(qū)域分為四個(gè)臂角區(qū)域：

第一臂角區(qū)域，滿足第二關(guān)節(jié)角和第六關(guān)節(jié)角同時(shí)小于0；

第二臂角區(qū)域，滿足第二關(guān)節(jié)角小于0，第六關(guān)節(jié)角大于0；

第三臂角區(qū)域，滿足第二關(guān)節(jié)角大于0，第六關(guān)節(jié)角小于0；

第四臂角區(qū)域，滿足第二關(guān)節(jié)角和第六關(guān)節(jié)角同時(shí)大于0；

分別計(jì)算第一臂角區(qū)域、第二臂角區(qū)域、第三臂角區(qū)域和第四臂角區(qū)域內(nèi)所述仿人機(jī)械臂的可用臂角范圍，從而計(jì)算出所述仿人機(jī)械臂在所述運(yùn)動(dòng)軌跡下滿足關(guān)節(jié)限位條件的自運(yùn)動(dòng)范圍；

步驟二、建立仿人機(jī)械臂在關(guān)節(jié)限位下自運(yùn)動(dòng)形成的掃掠體的基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)模型；

步驟三、分別建立仿人機(jī)械人中除機(jī)械臂外的其他部件和周?chē)o止環(huán)境的基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)模型；

步驟四、采用基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)方法檢測(cè)仿人機(jī)械臂自運(yùn)動(dòng)形成的掃掠體的基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)模型與仿人機(jī)械人的其他部件以及周?chē)o止環(huán)境的基于球掃掠凸體的碰撞檢測(cè)模型之間是否發(fā)生碰撞以及是否存在可能的碰撞點(diǎn)，剔除發(fā)生碰撞和可能發(fā)生碰撞的臂構(gòu)型，獲得可用臂構(gòu)型集；

擬人臂構(gòu)型冗余解優(yōu)化部分包括：

步驟五、在整個(gè)臂角區(qū)域內(nèi)選擇優(yōu)化臂角區(qū)域，優(yōu)化臂角區(qū)域?yàn)檫B續(xù)性最佳，范圍最大和過(guò)渡次數(shù)最少的區(qū)域；

步驟六、基于操作橢球優(yōu)化法在優(yōu)化臂角區(qū)域內(nèi)選擇擬人臂構(gòu)型；

步驟七、引入仿人機(jī)械臂自運(yùn)動(dòng)處理不可用優(yōu)化臂角；

步驟八、當(dāng)存在臂角區(qū)域的過(guò)渡時(shí)，在過(guò)渡點(diǎn)的兩側(cè)采用過(guò)渡點(diǎn)臂角的優(yōu)化方法優(yōu)化過(guò)渡點(diǎn)處的臂角；

步驟九、根據(jù)最優(yōu)臂角區(qū)域的優(yōu)化臂角曲線以及基于臂角參數(shù)的仿人機(jī)械臂解析逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)的解析逆解。

2.如權(quán)利要求1所述的多約束條件下七自由度仿人機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)擬人臂構(gòu)型優(yōu)化方法，其特征在于，步驟二采用球掃掠凸體構(gòu)建仿人機(jī)械臂在關(guān)節(jié)限位下自運(yùn)動(dòng)形成的掃掠體的碰撞檢測(cè)模型，當(dāng)仿人機(jī)械臂自運(yùn)動(dòng)時(shí)，其上臂和下臂分別形成圓錐面掃掠體，根據(jù)第四關(guān)節(jié)自運(yùn)動(dòng)形成的軌跡，采用n個(gè)球掃掠凸體構(gòu)建所述圓錐面掃掠體；

上臂包括第一關(guān)節(jié)至第四關(guān)節(jié)，下臂包括第四關(guān)節(jié)至第七關(guān)節(jié)，n為正整數(shù)；

所述球掃掠凸體由球半徑和五個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成，該球掃掠凸體定義為：

其中，r₁為球掃掠凸體V₁的半徑，球掃掠凸體V₁的五個(gè)頂點(diǎn)分別為至為第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)與第三關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)或者第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)與第七關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)，為第四關(guān)節(jié)的位置，是自運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)ψ_l/2n的點(diǎn)，是自運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)ψ_l/n的點(diǎn)，ψ_l為自運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的角度；

或者，所述球掃掠凸體由球半徑和四個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成，該球掃掠凸體定義為：

其中，r₂為球掃掠凸體V₂的半徑，球掃掠凸體V₂的四個(gè)頂點(diǎn)分別為至為第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)與第三關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)或者第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)與第七關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)，為第四關(guān)節(jié)的位置，是自運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)ψ_m/n的點(diǎn)，ψ_m為自運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的角度。