[發明專利]基于QPSO算法的機械臂多項式插值軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 201811135979.8
• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN109343345B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發明（設計）人: 吳定會;肖仁;紀志成;韓欣宏;黃海波;張桐瑞;陶凱;方欽
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所(普通合伙) 32104
• 代理人: 曹祖良;屠志力

本發明提供一種基于QPSO算法的機械臂多項式插值軌跡規劃方法，利用QPSO算法對多自由度機械臂的3?5?3分段插值軌跡進行時間最優軌跡規劃，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1，構建機械臂多項式插值軌跡規劃所需的目標函數；步驟S2，根據QPSO算法，根據粒子個體最優位置和粒子全局最優位置來對粒子群體進行迭代進化,從而選出具有全局最優適應度的粒子位置和其對應的適應度值。本發明能保證六自由度機械臂末端軌跡滿足運行過程盡量平滑,末端位置、角速度和角加速度無突變的原則；其仿真結果的精度要優于雙層PSO優化算法,收斂速度要比傳統PSO優化算法快,計算過程所耗時間均比雙層PSO算法與PSO算法少。

技術領域

本發明涉及機器人控制技術領域，尤其是一種基于QPSO算法的機械臂多項式插值軌跡規劃方法。

背景技術

軌跡規劃是隨著時間的推移在兩種不同配置之間移動機器人,以便在履行機器人的約束的同時執行特定的任務.一定的配置需要機器人操縱器的一組關節角度和所有可能的關節角度集合稱為配置空間,約束包含機器人的物理限制.它們包括幾何約束,其可以用機器人關節角度(即關節角度的邊界,避免與環境的碰撞)來表示.它們還包括運動學和動力學約束,包括關節角度的高階時間導數(即關節速度,加速度等)。

機械臂在工業操作中必須遵循一個重要的原則,即運行過程應當盡量平滑,應當避免其末端位置、速度和加速度的突變,而分段多項式插值法可以使得機械臂末端軌跡滿足這一原則.常用的分段式插值法有較為普遍的3-3-3-3-3多項式插值法和王焱等提到的4-3-4多項式插值法,對于前者,其使用的是三項式插值法,由于階次過低,易使得軌跡脈動不連續；于后者,其中兩段使用了四項式插值法,多項式階次越高公式轉換計算量越大,需犧牲大量的運算時間.相比這兩種方法,徐向榮等提出的3-5-3多項式插值法具有階次高,軌跡無位置、速度和加速度突變的特點,且其前后兩段為三項式插值,針對機械臂模型的復雜性,公式轉換計算量可以得到大大的減少.然而基于多項式差值的軌跡規劃具有階次較高,沒有凸包性等特點,難以利用傳統的方法進行優化,而粒子群算法恰好能解決這一問題，李小為等針對六自由度機械臂,提出一種在速度約束下的PSO時間最優軌跡規劃,但是PSO(粒子群算法)的目標值收斂時間和計算時間均較長,為了對粒子群算法收斂速度進行改善,周志勇等提出一種自適應雙層粒子群優化算法,但運用于六自由度機械臂的時間最優軌跡規劃時,其精度不佳,易于早熟從而達不到最優值。

而QPSO(量子粒子群算法)較于一般PSO更適用于對工業機械臂的時間最優軌跡規劃。

發明內容

本發明的目的是在于克服現有技術中存在的不足，提供一種一種基于QPSO算法的機械臂多項式插值軌跡規劃方法，其解決了多項式差值的軌跡規劃具有階次較高,沒有凸包性等特點,難以利用傳統的方法進行優化的問題；并能保證六自由度機械臂末端軌跡滿足運行過程盡量平滑,末端位置、角速度和角加速度無突變的原則；其仿真結果的精度要優于雙層PSO優化算法,收斂速度要比傳統PSO優化算法快,計算過程所耗時間均比雙層PSO算法與PSO算法少。本發明采用的技術方案是：

一種基于QPSO算法的機械臂多項式插值軌跡規劃方法，利用QPSO算法對多自由度機械臂的3-5-3分段插值軌跡進行時間最優軌跡規劃，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1，構建機械臂多項式插值軌跡規劃所需的目標函數；

步驟S2，根據QPSO算法，根據粒子個體最優位置和粒子全局最優位置來對粒子群體進行迭代進化,從而選出具有全局最優適應度的粒子位置和其對應的適應度值。

步驟S1具體包括：

步驟S1.1，構建多項式插值函數；多自由度機械臂關節i的3-5-3多項式插值通式為：