[發明專利]一種面向冗余機械臂重復運動規劃的終態網絡優化方法

有效

• 申請號: 201811042159.4
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN109015657B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 孔穎;張瑞陽;唐青青;陸凱杭
• 申請（專利權）人: 浙江科技學院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種面向冗余機械臂重復運動規劃的終態網絡優化方法，包括以下步驟：1)確定冗余機械臂末端執行器期望目標軌跡r^*(t)和期望回攏的關節角度θ^*(0)；2)設計終態吸引優化指標，形成機械臂重復運動規劃方案，其中冗余機械臂實際運動時的初始關節角可以任意指定，不要求末端執行器處于期望軌跡上；給定冗余機械臂實際運動時的初始關節角度θ(0),以θ(0)為運動起始點，形成的具有終態吸引優化特性的重復運動規劃方案；3)構建有限值激活函數的終態網絡模型，以終態網絡求解時變矩陣方程；4)將求解得到的結果用于控制各關節電機，驅動機械臂執行任務。本發明提供一種精度高、有限時間收斂的冗余機械臂可重復運動方法。

技術領域

本發明涉及冗余機械臂的重復運動規劃及控制技術，具體地，涉及一種終態吸引優化性能指標、在機械臂各運動關節角初始位置偏移期望軌跡情形下的冗余機械臂逆運動學求解方法。

背景技術

機械臂一直是機器人領域中的研究熱點。機械臂是指一個末端能動的機械裝置，其末端任務包括搬運、焊接、油漆和組裝等，目前已廣泛應用于工業制造、醫學治療、娛樂服務、消防、軍事和太空探索等領域中。根據自由度(Degrees-of-Freedom,DOF)的多少，機械臂可劃分為冗余機械臂和非冗余機械臂。冗余機械臂是指所擁有的DOF多于完成給定末端任務所需的DOF的機械臂。對應地，非冗余機械臂是指執行給定的末端任務時沒有多余DOF的機械臂。顯然，較之非冗余機械臂，冗余機械臂因其有多余的DOF而更為靈活且更具優勢,這也是其在實際工程應用中日益凸顯出重要性的原因之一。

冗余機械臂在實時運動控制中存在的一個基礎問題是冗余度解析問題，又被稱作逆運動學。通過已知末端執行器的位置和姿態，求解其對應的冗余機械臂各個關節角的值。通過采用特定的冗余度解析方案，冗余機械臂在完成給定的末端任務的同時，還能夠在一個較大的關節子空間內自由運動，躲避環境中的障礙物和自身的關節物理限制。經典的做法是基于偽逆的冗余度解析方案。考慮在m維空間中作業的具有n個自由度的機械臂，末端軌跡與關節位移之間的關系(即正運動學問題)

r(t)＝f(θ(t))

其中，r(t)表示機械臂末端執行器在工作空間中笛卡爾坐標系下的位移，θ(t)表示關節位移。末端笛卡爾空間與關節空間之間的微分運動關系為

其中，是r的時間導數，是關節速度向量，是機械臂的雅克比矩陣。

對于冗余機械臂，傳統方法是求解Moore-Penrose廣義逆(偽逆)，可得關節變量速度的最小二乘解為

這里，J⁺＝J^T(JJ^T)^-1是雅克比矩陣J的偽逆。

末端執行器在笛卡爾操作空間做重復運動時，閉合的末端執行器運動軌跡可能沒有產生閉合的關節角軌跡，導致關節角偏差現象。這種非重復運動問題所帶來的偏差可能會引起機械臂在重復作業中出現不可預料的情況。在大多數情況下，會使用自運動的方法來代替通常使用的偽逆控制法來進行改善處理，因為偽逆控制法無法獲得能完成原有的重復運動的重復性。但是使用自方法的調整效率往往不高。

發明內容

為了克服現有終態網絡優化方法的不具有有限時間收斂性、收斂速度較慢、收斂精度較低的不足，本發明中，具有有限時間收斂性能的遞歸神經網絡被用求解時變問題。相比于具有漸近收斂動態特性的遞歸神經網絡，終態收斂動態特性具有有限時間收斂性，不僅能夠改進收斂速度，而且達到較高收斂精度。為了使冗余機械臂各關節角在初始位置偏移期望位置時，實現冗余機械臂重復運動，本發明提供一種精度較高、有限時間收斂、易于實現的基于終態吸引優化指標的冗余機械臂軌跡規劃方法，以具有有限值激活函數的終態網絡作為求解器，在初始位置偏移情形時，冗余機械臂各關節角按期望軌跡運動之后，最后仍然可以回到初始期望位置。