[發明專利]一種用于冗余機械臂可達性分析的逆解求解方法

在審

• 申請號: 201810567298.2
• 申請日: 2018-06-05
• 公開（公告）號: CN108789406A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 劉清華;王文
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G06F17/15;G06F17/16
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

本發明公開了一種用于冗余機械臂可達性分析的逆解求解方法。該方法以關節角為冗余參數進行機械臂逆解求解，在考慮關節極限的情況下，所得到的解未必滿足關節限位條件，此時可判斷此解距離關節極限的距離，找出離關節極限最遠的距離的關節角，將關節角當前值按一定步長靠近關節極限來更新關節角，再以該更新的關節角為冗余參數進行逆解求解，重復上述過程直到求解到滿足關節限位的可行關節逆解，則判斷給定的末端姿態是該機械臂可達的姿態。本發明可用于冗余機械臂可達性分析中，求解全局的機械臂姿態在考慮關節限位的情況下是否可達的問題，從而了解機械臂在其整個空間內的可達位姿的分布情況，有助于指導機械臂更好地完成任務。

技術領域

本發明屬于機械臂運動學領域，具體涉及一種用于冗余機械臂可達性分析的逆解求解方法。

背景技術

目前，七自由度機械臂因為其存在冗余的特征，在保證末端任務實現的情況下關節層仍然有一個自由度可以獨立運動，可用于實現操作度優化、關節力矩優化、避障等任務，這種類型的機器人已經成為當前機器人研究的熱點與重點。

然而冗余的存在給七自由度機械臂逆解的求解帶來困難，通過查詢文獻和綜合分析發現，盡管國內外對七自由度機械臂逆解的研究較多，通常分為數值解和解析解求解，但在可達性分析中需考慮關節極限的情況下求解全局所有姿態的逆解時，數值解求解方法因其是否能快速準確得到逆解依賴于初解的選擇故不適用，當前常用的解析解求解基于臂形角的逆解求解因其需首先給定臂形角的值才能得到逆解，而給定臂形角的大小亦不能保證逆解滿足關節限位條件，故也不適用。基于單個關節角為冗余參數的解析解逆解求解亦不能保證得到的逆解滿足關節限位條件。

在可達性分析中，我們通常首先劃分機械臂的六維工作空間，然后進行逆解求解計算，需在無人為判斷的情況下求解全局姿態是否存在滿足關節限位的可達逆解。如今存在的在考慮關節極限的情況下判斷全局的機械臂的姿態的逆解的可能可行的方案在Shimizu M,Kakuya H,Yoon W K,et al.Analytical Inverse Kinematic Computationfor 7-DOF Redundant Manipulators With Joint Limits and Its Application toRedundancy Resolution[J].IEEE Transactions on Robotics,2008,24(5):1131-1142.得到分析，其得到了臂形角與關節極限的關系，求得所有滿足關節限位條件的臂形角。然而該方法得到關節極限與臂形角的關系情況較多、較復雜，且在求解得到每個關節的關節極限對應的臂形角的并集時較為困難，通常需人為干預進行并集計算，故該方法也不適合。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種用于冗余機械臂可達性分析的逆解求解方法。考慮關節角為冗余參數求解逆解時可能不能得到滿足關節限位的逆解，判斷超出關節限位最大的關節角，利用冗余機械臂的自運動，得到靠近關節限位的更新后的關節角，重新進行逆解計算，直到求得滿足關節限位條件的可行逆解。

本發明所采用的技術方案是：

一種用于冗余機械臂可達性分析的逆解求解方法，包括以下步驟：

步驟1：采用標準D-H方法建立機械臂的連桿坐標關系，機械臂的前三個旋轉關節(q₁,q₂,q₃)的關節軸線相交于一點s，故將前三個關節等效為一個虛擬的球關節；機械臂的后三個旋轉關節(q₅,q₆,q₇)的關節軸線亦相交于一點w，故也將后三個關節等效為一個虛擬的球關節；第四個關節角q₄是一個旋轉關節，其連桿坐標系中心為點w；機械臂的末端與第七個關節連桿坐標系重合；根據機械臂運動學得到逆運動學計算所需的相關參數的關系；