[發(fā)明專利]機器人的逆運動學求解系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710320404.2
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107030698B
• 公開（公告）日: 2018-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 肖航;韓銀和;王穎;連世奇
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院計算技術(shù)研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

本發(fā)明提供一種機器人的逆運動學求解系統(tǒng)，用于基于輸入的機器人的目標位姿值和自由度獲得與所述目標位姿值對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度值。該系統(tǒng)包括：參數(shù)初始化模塊、逆運動學調(diào)度器、雅克比計算單元、位姿更新單元、參數(shù)選擇器。本發(fā)明的系統(tǒng)通過硬件實現(xiàn)，可以快速獲得用于控制機器人的運動參數(shù)，同時降低的功耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多自由度機器人的逆運動學求解系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著傳感器、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，各種高級的機器人被用于工業(yè)生產(chǎn)，或者代替人類作一些重復(fù)性高或危險的工作。靈活性、可操作性是度量機器人能力的重要標準，多關(guān)節(jié)、高自由度使機器人的功能更強大，可以完成更多的任務(wù)。逆向運動學在求解高自由度機器人的控制參數(shù)中扮演著重要的角色，是機器人領(lǐng)域眾多學者的研究方向。然而，由于逆向運動學求解困難、計算速度慢等因素，嚴重限制了機器人處理問題的實時能力，此外，逆向運動學的計算消耗大量的能量，這對于電池電量有限的移動式機器人而言，續(xù)航是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在現(xiàn)有技術(shù)中，機器人的逆運動學求解通常采用CPU和GPU來計算，然而對于高自由度機器人，CPU計算非常耗時，不能滿足機器人控制的實時性要求；同時GPU功耗大，且設(shè)備便攜度低，不能滿足移動式機器人的功耗要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種并行度高，功耗低，高自由度的機器人逆向運動學加速器。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種機器人的逆運動學求解系統(tǒng)，用于基于輸入的機器人的目標位姿值和自由度獲得與所述目標位姿值對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度值，該系統(tǒng)包括：

參數(shù)初始化模塊，用于獲得參數(shù)初始值，所述參數(shù)初始值包括關(guān)節(jié)角度初始值、位姿初始值以及所述位姿初始值相對于所述目標位姿值的誤差初始值；

逆運動學調(diào)度器，用于基于所述目標位姿值執(zhí)行判斷，以決定是將當前的關(guān)節(jié)角度值選擇作為與所述目標位姿值對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度值還是將當前的關(guān)節(jié)角度值發(fā)送給雅克比計算單元，其中，所述當前的關(guān)節(jié)角度值是來自于參數(shù)初始化模塊的關(guān)節(jié)角度初始值或來自于參數(shù)選擇器的關(guān)節(jié)角度值；

雅克比計算單元，用于基于接收的所述關(guān)節(jié)角度值獲得雅克比矩陣及雅克比轉(zhuǎn)置矩陣；

位姿更新單元，用于基于所述雅克比矩陣和雅克比轉(zhuǎn)置矩陣獲得多個新的關(guān)節(jié)角度值；

參數(shù)選擇器，用于從所述多個新的關(guān)節(jié)角度值中選擇一個并發(fā)送給逆運動學調(diào)度器。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，所述參數(shù)初始化模塊包括：用于生成關(guān)節(jié)角度初始值的隨機信號發(fā)生器；用于獲得位姿初始值的三角平方計算器和矩陣乘法器；用于獲得誤差初始值的加法器和三角平方計算器。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，所述逆運動學調(diào)度器通過將當前的關(guān)節(jié)角度值所對應(yīng)的誤差與預(yù)定閾值進行比較來決定是將當前的關(guān)節(jié)角度值選擇作為與所述目標位姿值對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度值還是將當前的關(guān)節(jié)角度值發(fā)送給雅克比計算單元，其中，當前的關(guān)節(jié)角度值所對應(yīng)的誤差是指當前的關(guān)節(jié)角度值所對應(yīng)的位姿值與所述目標位姿值之間的誤差。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，所述雅克比計算單元包括用于獲得雅克比矩陣及雅克比轉(zhuǎn)置矩陣的三角平方計算器和矩陣乘法器。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，所述位姿更新單元包括：參數(shù)計算器，用于計算前向參數(shù)；變量更新模塊，用于計算關(guān)節(jié)角度變量的增量；寄存器，用于保存關(guān)節(jié)角度變量的增量；位姿計算模塊，用于根據(jù)關(guān)節(jié)角度變量的增量計算新的位姿值；誤差計算器，用于計算新的位姿值和所述目標位姿值的之間的誤差；控制器，用于控制變量更新模塊、寄存器、位姿計算模塊、誤差計算器的執(zhí)行。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，所述參數(shù)計算器采用矩陣乘法器來計算所述前向參數(shù)。

在本發(fā)明的系統(tǒng)中，所述矩陣乘法器是4*4矩陣乘法器。