[發(fā)明專利]一種基于天牛須優(yōu)化策略的機(jī)械臂運動規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910141346.6
• 申請日: 2019-02-26
• 公開（公告）號: CN109866222B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王雷;陳德潮;吳卿;林菲
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發(fā)明公開了一種基于天牛須優(yōu)化策略的機(jī)械臂運動規(guī)劃方法，包括：1)將機(jī)械臂末端執(zhí)行器的指定運動軌跡視為平面上的一系列時序點，在平面上運動時有一個冗余自由度，用φ來表示，而根據(jù)機(jī)械臂的基座坐標(biāo)以及時序點的坐標(biāo)算出每個時序點φ值的范圍；2)將步驟1)中得到的φ值范圍、各關(guān)節(jié)最大速度及加速度作為約束條件，以最小化沿軌跡運動時的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅度或運動時間為優(yōu)化目標(biāo)，建立規(guī)劃模型；3)將步驟2)中的規(guī)劃問題運用BSO進(jìn)行求解；4)將步驟3)的求解結(jié)果傳遞給下位機(jī)控制器驅(qū)動機(jī)械臂運動。本發(fā)明通過優(yōu)化機(jī)械臂經(jīng)過軌跡上各個點時的冗余參數(shù)來使機(jī)械臂的運動幅度或運動時間最優(yōu)化，同時也使得機(jī)械臂的末端沿著指定軌跡運動。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及冗余度機(jī)械臂運動規(guī)劃及智能優(yōu)化算法領(lǐng)域，具體涉及一種基于BSO(Beetle Swarm Optimization)算法的平面三自由度機(jī)械臂在指定軌跡下的運動規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

冗余度機(jī)械臂是一種所具有的自由度數(shù)量大于執(zhí)行任務(wù)所需最小自由度數(shù)量的機(jī)械臂，廣泛地應(yīng)用于各種國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動中。在本發(fā)明的案例中，平面三自由度機(jī)械臂是一種具有一個冗余自由度的機(jī)械臂。

讓機(jī)械臂的末端執(zhí)行器沿著固定軌跡運動，也即機(jī)械臂繪圖，是機(jī)械臂運動規(guī)劃的一個課題。在工業(yè)中，可以應(yīng)用于焊接、刷漆、組裝、采集和放置、產(chǎn)品檢測和測試等；在醫(yī)療領(lǐng)域，可以輔助于用更精準(zhǔn)、侵入性更小的方式進(jìn)行手術(shù)。

BSO算法是一種新提出的元啟發(fā)式優(yōu)化算法，它結(jié)合了天牛須算法(BAS)和粒子群算法(PSO)，兼具天牛須優(yōu)化策略與群體智能優(yōu)化，取得了比這兩者更好的優(yōu)化性能。與傳統(tǒng)算法相比，BSO算法具有較好的魯棒性和運行速度，并且在處理非線性約束時具有更好的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種平面三自由度機(jī)械臂在指定軌跡下的運動規(guī)劃方法，該方法具有規(guī)劃速度快的特點。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種基于天牛須優(yōu)化策略的機(jī)械臂運動規(guī)劃方法，包括如下步驟：

1)將機(jī)械臂末端執(zhí)行器的指定運動軌跡視為平面上的一系列時序點，由于三桿機(jī)械臂在平面上運動時有一個冗余自由度，用冗余參數(shù)φ來表示，而根據(jù)機(jī)械臂的基座坐標(biāo)以及時序點的坐標(biāo)可以計算出每個時序點φ值的范圍；

2)將步驟1)中得到的φ值范圍、各關(guān)節(jié)最大速度及加速度作為約束條件，以最小化沿軌跡運動時的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅度或運動時間為優(yōu)化性能指標(biāo)，建立規(guī)劃模型；

3)將步驟2)中的規(guī)劃問題運用BSO進(jìn)行求解；

4)將步驟3)的求解結(jié)果傳遞給下位機(jī)控制器驅(qū)動機(jī)械臂運動。

在步驟2)中的性能指標(biāo)設(shè)計為：最小化T＝t(運動時間)或最小化(關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅度)，其中T為優(yōu)化后的運動時間，t為運動總時間，i為每段時間間隔、j為機(jī)械臂關(guān)節(jié)編號，n表示時間間隔總段數(shù)，m表示機(jī)械臂關(guān)節(jié)總數(shù)，Δθ_ij表示第j個機(jī)械臂關(guān)節(jié)在i時間間隔轉(zhuǎn)過的角度；此規(guī)劃模型受約束于冗余參數(shù)極限φ(t)_min≤φ(t)≤φ(t)_max、關(guān)節(jié)速度極限關(guān)節(jié)加速度極限其中不等式φ(t)_min≤φ(t)≤φ(t)_max代表了機(jī)械臂末端執(zhí)行器的固定軌跡約束，是t時刻機(jī)械臂的關(guān)節(jié)速度，表示關(guān)節(jié)速度上限，是t時刻機(jī)械臂的關(guān)節(jié)加速度，表示關(guān)節(jié)加速度上限。

上述規(guī)劃問題使用BSO算法求解，將輸入的時序點上的冗余參數(shù)向量以及運動總時間t作為解向量優(yōu)化。由于上述問題中分割的時間段段數(shù)往往很多，導(dǎo)致需要優(yōu)化的冗余參數(shù)數(shù)量也很多。為了避免解空間維度過高，因此多個的冗余參數(shù)作為解向量優(yōu)化，然后用三次樣條插值生成其余冗余參數(shù)。作為優(yōu)選，所述的多個冗余參數(shù)為5-10個；