[發(fā)明專利]一種基于關節(jié)能量均衡分配的關節(jié)機器人軌跡規(guī)劃方法

有效

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• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107199569B
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發(fā)明（設計）人: 葉伯生;周向東;陶婕妤;宋寶;熊碩;唐小琦;王昌杰;郭藝璇;李浩
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J17/02
• 代理公司: 42201 華中科技大學專利中心
• 代理人: 周磊;曹葆青

本發(fā)明屬于機器人領域，并公開了一種基于關節(jié)能量均衡分配的關節(jié)機器人軌跡規(guī)劃方法，包括以下步驟：1)建立機器人連桿模型；2)建立機器人動力學模型，獲得各關節(jié)轉(zhuǎn)矩計算公式；3)辨識機器人的動力學參數(shù)；4)得到各個關節(jié)的力矩曲線，對機器人各個關節(jié)力矩曲線進行擬合，利用曲率最大法對擬合曲線進行判別，記錄最大插值點數(shù)及所對應的關節(jié)；5)建立評價函數(shù)作為能量均衡分配的判斷標準，利用粒子群算法尋求評價函數(shù)最優(yōu)解，構成機器人運行軌跡。通過本方法機器人能夠自主判斷運動過程中各關節(jié)電機能量相對均衡受力的位置點，生成運動軌跡。可以保證機器人在運動過程中軌跡平滑，運動時間短，各關節(jié)承受負載均衡。

技術領域

本發(fā)明屬于工業(yè)機器人領域，更具體地，涉及一種關節(jié)機器人軌跡規(guī)劃方法。

背景技術

機器人動力學是研究機器人運動與受力之間的關系，建立機器人動力學模型是機器人動態(tài)控制和高精度運動控制、動態(tài)設計及運動仿真的基礎。目前，機器人動力學計算的方法主要有：牛頓-歐拉法，拉格朗日法，凱恩法，旋量定理法。應用不同的動力學方法所得到的動力學方程是不同的，其計算效率有很大差別，牛頓-歐拉方程是采用形位坐標作為獨立變量的傳統(tǒng)力學方法，在處理少數(shù)關節(jié)時，形式簡潔，在本發(fā)明中選擇牛頓-歐拉法計算機器人動力學。

機器人動力學模型的建立依賴于機器人連桿的運動參數(shù)和機器人連桿慣性參數(shù)的確定，前者容易獲得，后者必須加以辨識。機器人連桿的慣性參數(shù)辨識是機器人動力學的重要部分。現(xiàn)有的機器人慣性參數(shù)辨識方法有：解體測量計算法，解體實驗測量法，不解體實驗測量法，三維模型測量法，理論辨識法。理論辨識法不需要解體機器人,也不需要專門的實驗平臺，可以獲得較高的精度，因此，本設計采用理論辨識法辨識機器人的慣性參數(shù)。

粒子群算法和遺傳算法類似，也是一種基于群體疊代的算法，但并沒有遺傳算法的交叉以及變異，而是粒子在解空間追隨最優(yōu)的粒子進行搜索。粒子群算法的優(yōu)勢在于簡單，容易實現(xiàn)，無需梯度信息，參數(shù)少，特別適合于處理實優(yōu)化問題。

現(xiàn)階段對機器人的軌跡規(guī)劃多為基于時間最優(yōu)和整體能量最優(yōu)，沒有將機器人關節(jié)電機力矩和能量均衡作為機器人運動中軌跡的判定條件，難以滿足實際生產(chǎn)中對機器人精確控制的要求。對于重載機器人運動過程抖動，能耗過大等問題無法通過運動學軌跡規(guī)劃解決。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于關節(jié)能量均衡分配的關節(jié)機器人軌跡規(guī)劃方法，其目的在于通過動力學計算不同位姿、速度下機器人的關節(jié)力矩，建立機器人關節(jié)電機能量均衡的評價函數(shù)，使機器人通過動態(tài)粒子群算法自動規(guī)劃運動軌跡，從而優(yōu)化器人運動過程中各關節(jié)電機負載不均衡，能耗過大的問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種基于關節(jié)能量均衡分配的關節(jié)機器人軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)根據(jù)D-H參數(shù)法建立n關節(jié)機器人連桿模型；

2)建立機器人動力學模型，獲得機器人關節(jié)力矩關系式；

3)辨識機器人在不同位姿的動力學參數(shù)；

4)輸入機器人起始關節(jié)角度和終止關節(jié)角度，得到各個關節(jié)的力矩曲線，對機器人各個關節(jié)力矩曲線進行擬合，利用曲率最大法挑選特征點，獲得各關節(jié)對應的特征點數(shù)，記錄最大特征點數(shù)及獲得最大特征點數(shù)的關節(jié)；

5)建立評價函數(shù)作為能量均衡分配的判斷標準，利用粒子群算法尋求評價函數(shù)最優(yōu)解，則獲得機器人運行軌跡。

優(yōu)選地，步驟1)具體步驟如下：

根據(jù)D-H參數(shù)法建立關節(jié)機器人的連桿坐標系模型，列出參數(shù)表，定義參數(shù)表中的關節(jié)角度θ＝[θ₁,θ₂,...,θ_n]，分別求解機器人關節(jié)i相對于關節(jié)i-1的變換矩陣：