[發明專利]一種用于冗余機械臂的自運動方法

有效

• 申請號: 201910243835.2
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN110076770B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 張鵬超;任肖輝
• 申請（專利權）人: 陜西理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 涂秀清

本發明公開了一種用于冗余機械臂的自運動方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：步驟1、確定冗余機械臂逆運動學方程；步驟2、對自運動方程兩邊同時求導；步驟3、將所述逆運動學方程設計為時變凸二次規劃問題；步驟4、在所述時變凸二次規劃問題中分別引入自運動指標和末端位置反饋；步驟5、引入拉格朗日函數，求解時變凸二次規劃問題受等式約束的時變凸二次規劃方程，并將其轉化為時變矩陣方程，并得到最優解；步驟6、對步驟5得到的速度層上的最優解進行積分，即可得到各個關節角的最優解；本發明提供了一種計算量小，用于速度控制的冗余機械臂自運動方案。

技術領域

本發明屬于機械臂自運動方法技術領域，涉及一種用于冗余機械臂的自運動方法。

背景技術

當一個機械臂的自由度大于完成末端執行器主任務所需的自由度時，這個機械臂就稱為冗余機械臂。冗余機械臂由于其靈活性，被廣泛運用于各個領域，特別是一些高危領域，如化工，冶煉等。冗余機械臂的逆運動學問題是已知末端執行器的姿態，求解機械臂各個關節的關節角。由于機械臂是冗余的，所以逆運動學問題存在無窮個可行解。當一個冗余機械臂進行一項新的末端執行器任務時，通常需要從固定的關節構型出發，例如在重復運動中，機械臂完成一次重復運動時需要回到初始的關節狀態，如果沒有回到初始的狀態，運動的精度可能會受到影響，嚴重時甚至毀壞機械臂。但是冗余機械臂存在關節漂移問題，所以需要額外的運動來調整機械臂的關節構型，這種運動即稱為自運動，即是將保持末端不動的情況下，使機械臂到達一個期望或者更優的狀態，這種自運動通常用于躲避機械臂關節物理極限，躲避障礙物等。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于冗余機械臂的自運動方法，提供了一種計算量小，用于速度控制的冗余機械臂自運動方案。

本發明所采用的技術方案是，一種用于冗余機械臂的自運動方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、確定冗余機械臂逆運動學方程；

步驟2、對自運動方程兩邊同時求導；

步驟3、將所述逆運動學方程設計為時變凸二次規劃問題；

步驟4、在所述時變凸二次規劃問題中分別引入自運動指標和末端位置反饋；

步驟5、引入拉格朗日函數，求解時變凸二次規劃問題受等式約束的時變凸二次規劃方程，并將其轉化為時變矩陣方程，并得到最優解；

步驟6、對步驟5得到的速度層上的最優解進行積分，即可得到各個關節角的最優解；

步驟7、將求解得到的最優角速度x^*傳給下位機控制器驅動機械臂。

本發明的特征還在于，

步驟1中逆運動學方程表示如下：

f(θ(t))＝r(t) (I)

式(1)中，θ(t)＝[θ₁(t)，θ₂(t)…θ_n(t)]^T是關節角度列向量；r(t)＝[x(t)，y(t)，z(t)]^T是期望的末端軌跡；f(·)是一個非線性映射。

步驟2中自運動方程兩邊同時求導后表示如下：

其中，J(θ(t))∈R^n×m為速度雅克比矩陣，n為機械臂自由度，m表示末端執行器空間維度；和表示關節角速度向量和末端執行器速度向量。

步驟3中逆運動學方程設計為時變凸二次規劃問題后表示如下：

式(3)中，T表示矩陣的轉置，W表示單位矩陣I,c表示性能指標。

步驟4中自運動指標表示為：