[發(fā)明專利]一種求解雙冗余機(jī)械臂互相碰撞的動(dòng)力學(xué)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810412681.0
• 申請(qǐng)日: 2018-05-03
• 公開（公告）號(hào): CN108714894A
• 公開（公告）日: 2018-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張智軍;陳卓明;孔令東;馬鈺兒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

本發(fā)明公開了一種求解雙冗余機(jī)械臂互相碰撞的動(dòng)力學(xué)方法，包括如下步驟：S1、將實(shí)際的物理系統(tǒng)形式化，以左邊機(jī)械臂為基礎(chǔ)建立該系統(tǒng)基于二次規(guī)劃問(wèn)題的最小速度二范數(shù)模型；S2根據(jù)避免雙冗余機(jī)械臂之間碰撞的約束，對(duì)步驟S1中的二次規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行擴(kuò)充，考慮互相避免碰撞的不等式約束；S3、根據(jù)雙冗余機(jī)械臂關(guān)節(jié)角和關(guān)節(jié)角速度極限，將關(guān)節(jié)角度以及角速度的約束考慮進(jìn)二次規(guī)劃問(wèn)題；S4、將步驟S3中的左邊機(jī)械臂二次規(guī)劃方案應(yīng)用到右邊機(jī)械臂上，并將雙冗余機(jī)械臂的兩個(gè)子二次規(guī)劃問(wèn)題集成到一個(gè)二次規(guī)劃框架下；S5、利用線性變分不等式?原對(duì)偶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解，所求得的解為雙冗余機(jī)械臂互相躲避情況下完成末端任務(wù)的結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及雙冗余機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種求解雙冗余機(jī)械臂互相碰撞的動(dòng)力學(xué)方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，機(jī)械臂在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如醫(yī)療儀器和工業(yè)制造。它吸引如此之多關(guān)注機(jī)器人操縱器的主要原因是能夠攜帶重物，做重復(fù)的事情，而且可以在危險(xiǎn)和惡劣的環(huán)境中工作。為了滿足所需任務(wù)的復(fù)雜要求，機(jī)械臂需要更靈活的配置和可選的優(yōu)化。因此，與非冗余機(jī)械臂相比，配備有更多自由度的冗余機(jī)械臂迎合了更復(fù)雜任務(wù)的需求。隨著自由度的增加，機(jī)械臂可以更好地完成基本任務(wù)，更好地完成可選優(yōu)化任務(wù)，同時(shí)也可以滿足一些額外但必要的目標(biāo)，如聯(lián)合限制回避和奇異回避。

另外，雙冗余機(jī)械臂變得越來(lái)越受歡迎，因?yàn)殡p冗余機(jī)械臂可以完成單冗余機(jī)械臂不可以完成的協(xié)作任務(wù)。因此，在自動(dòng)化訂單揀選系統(tǒng)，幫助老年人和殘疾人穿衣等各種應(yīng)用中，它們可以被廣泛應(yīng)用。

然而，在操作雙冗余機(jī)械臂的領(lǐng)域，一直存在一些具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題：

1)冗余度解析問(wèn)題。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的核心問(wèn)題之一。由于運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的非線性，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題求解往往比較困難。另外，由于自由度的數(shù)量大于工作空間的數(shù)量，所以存在無(wú)數(shù)個(gè)解的情況。傳統(tǒng)方法是應(yīng)用偽逆的算法。然而，偽逆法存在明顯的缺點(diǎn)，即計(jì)算矩陣的逆矩陣需要花費(fèi)大量的時(shí)間。此外，偽逆法不能考慮不等式約束。最近，基于優(yōu)化的方案被廣泛研究，以便于將最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為最優(yōu)目標(biāo)和等式/不等式約束條件。

2)雙冗余度機(jī)械臂協(xié)作任務(wù)的執(zhí)行。通常期望雙冗余機(jī)械臂協(xié)同完成末端執(zhí)行器任務(wù)。應(yīng)該考慮如何同時(shí)控制雙冗余度機(jī)械臂。以前的研究表明，基于優(yōu)化的方法是可行的。

3)實(shí)時(shí)避免相互碰撞算法。當(dāng)雙冗余機(jī)械臂在執(zhí)行末端執(zhí)行器任務(wù)時(shí)，不可忽視的問(wèn)題是相互碰撞問(wèn)題。一旦相互碰撞發(fā)生，雙冗余機(jī)械臂將被迫偏離期望的軌跡并導(dǎo)致任務(wù)失敗。更有甚者，可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害雙冗余度機(jī)械臂。為避免這種嚴(yán)重的情況發(fā)生，相互避免碰撞的方案是必要的。

為了克服機(jī)器人和機(jī)械臂與障礙物碰撞的潛在問(wèn)題，需要提出避免碰撞的方案。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種求解雙冗余機(jī)械臂互相碰撞的動(dòng)力學(xué)方法，該避免相互碰撞方案，以滿足獲得包含關(guān)節(jié)限位避免，避免碰撞和完成末端執(zhí)行器任務(wù)的最優(yōu)解的要求。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種求解雙冗余機(jī)械臂之間相互躲避的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，包括如下步驟：

S1、將實(shí)際的物理系統(tǒng)形式化，以左邊機(jī)械臂為基礎(chǔ)建立該系統(tǒng)基于二次規(guī)劃問(wèn)題的最小速度二范數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)在保持機(jī)械臂精準(zhǔn)完成末端追蹤軌跡任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行速度層面的最優(yōu)化處理；

具有應(yīng)用中，先以左邊機(jī)械臂還是先以右邊機(jī)械臂為基礎(chǔ)建立該系統(tǒng)基于二次規(guī)劃問(wèn)題的最小速度二范數(shù)模型，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制。

S2、根據(jù)避免雙冗余度機(jī)械臂之間碰撞的約束，對(duì)步驟S1中的二次規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行擴(kuò)充，考慮避免互相碰撞的不等式約束；

S3、根據(jù)避免雙冗余機(jī)械臂關(guān)節(jié)角和關(guān)節(jié)角速度的約束，在步驟S2的基礎(chǔ)上將角度以及角速度的約束加入二次規(guī)劃問(wèn)題；