[發(fā)明專利]基于遺傳混沌優(yōu)化算法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710113939.2
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106773739A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋銳;張其萬;高峰;孟超;王懂;辛?xí)早?/a>;張曉濤;尚傳妮;王康麗
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司37221
• 代理人: 黃海麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于遺傳混沌優(yōu)化算法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的機(jī)器人在應(yīng)用中一般是在線示教的方式，確定好運(yùn)動軌跡之后，一般是人工控制機(jī)械臂的速度、加速度，完成規(guī)定的軌跡要求，而且機(jī)器人廣泛應(yīng)用于食品、藥品的加工、包裝，汽車的噴涂，零部件的弧焊、點(diǎn)焊，金屬的切削等領(lǐng)域，雖然在一定程度上解放了人的勞動，但是通用的方法并沒有使機(jī)器人在軌跡上的運(yùn)行時間達(dá)到最短，而且運(yùn)行的軌跡不一定平滑，并且運(yùn)行軌跡、加速度和速度的突變影響機(jī)器人的使用壽命。因而時間沒有達(dá)到最優(yōu)，生產(chǎn)效率還是有上升的空間。

目前軌跡規(guī)劃分為能量最優(yōu)，時間最優(yōu)，最小脈動等幾種類型。其中能量最優(yōu)模型建立復(fù)雜，而且變量和干擾因素很多，求解方法困難。時間最優(yōu)和最小脈動的方法研究較多，能夠在工業(yè)現(xiàn)場提高工作效率以及延長機(jī)器人的機(jī)械使用壽命。時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃主要是把軌跡中兩個節(jié)點(diǎn)之間的時間間隔轉(zhuǎn)化成非線性尋優(yōu)問題。最優(yōu)時間軌跡規(guī)劃的研究中國內(nèi)外主要用了下面幾種方法，粒子群算法、遺傳算法、信頼域算法、動態(tài)規(guī)劃方法等，但是許多算法都有它的局限性，如雖然粒子群算法收斂速度快，但是局部搜索能力差。所以發(fā)明一種全局和局部搜索能力強(qiáng)，而且搜索能力快的方法應(yīng)是下一步研究的重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于遺傳混沌優(yōu)化算法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，使用該方法能夠得到機(jī)器人的最優(yōu)運(yùn)行時間，提高機(jī)器人的工作效率，并且運(yùn)行軌跡、速度、加速度的曲線平滑，不會產(chǎn)生突變，延長機(jī)器人的使用壽命。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于遺傳混沌優(yōu)化算法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，包括，

步驟一，在笛卡爾空間內(nèi)在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行插補(bǔ)，得到一系列中間位置點(diǎn)；

步驟二，根據(jù)機(jī)器人建立D-H參數(shù)模型，求解在關(guān)節(jié)空間中各位置點(diǎn)的機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度值；

步驟三，在關(guān)節(jié)空間中初始化每兩個節(jié)點(diǎn)之間的時間間隔序列；

步驟四，構(gòu)造多項(xiàng)式插值關(guān)節(jié)空間經(jīng)過的角度值，控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動形式；

步驟五，構(gòu)造時間最優(yōu)適應(yīng)度函數(shù)，在滿足限制條件下，采用基于遺傳混沌優(yōu)化算法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法對時間間隔序列尋優(yōu)，直到滿足終止條件，輸出最優(yōu)時間間隔序列；

步驟六，規(guī)劃運(yùn)動軌跡，完成既定運(yùn)動。

所述步驟一中用圓弧插補(bǔ)和/或直線插補(bǔ)方法插補(bǔ)末端執(zhí)行器要經(jīng)過的路徑。

所述步驟二中用逆運(yùn)動學(xué)的方法求解在關(guān)節(jié)空間中各位置點(diǎn)的機(jī)器人各關(guān)節(jié)的角度值。

所述步驟三中，時間間隔序列為大于零的一固定的數(shù)值。

所述步驟四中，構(gòu)造四次多項(xiàng)式插值關(guān)節(jié)空間經(jīng)過的角度值。

所述步驟五中，在機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)的情況下，要求機(jī)器人運(yùn)行時間最短，限定條件包括：關(guān)節(jié)速度和加速度不大于關(guān)節(jié)速度和加速度的額定限定值。

所述步驟五中，時間最優(yōu)適應(yīng)度函數(shù)為

式中i為關(guān)節(jié)的位置節(jié)點(diǎn)；h_i為兩個節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時間；n＝4；ε₀，ε₁，ε₂為加權(quán)系數(shù)，為懲罰函數(shù)。

懲罰函數(shù)的設(shè)定為：

θ_imax表示機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度的額定限定值，θ表示機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，表示機(jī)器人各關(guān)節(jié)速度和加速度的額定限定值；表示機(jī)器人各關(guān)節(jié)的速度和加速度。

所述步驟五中，采用基于遺傳混沌優(yōu)化算法的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法對時間間隔序列尋優(yōu)的方法包括，

初始化相關(guān)參數(shù)，包括種群的大小N、進(jìn)化的代數(shù)NG、初始的時間間隔Δt_i；

對軌跡中的時間間隔序列進(jìn)行十進(jìn)制編碼，選擇遺傳算子；

對選擇的算子進(jìn)行選擇、交叉、變異操作，用適應(yīng)度函數(shù)對產(chǎn)生的群體進(jìn)行適應(yīng)值評價，選擇這一群體中的最優(yōu)個體；

利用混沌算法得出局部最優(yōu)解。

選擇的遺傳算子包括選擇算子、交叉算子Pc、變異算子Pm。

本發(fā)明的有益效果：