[發明專利]一種基于RES-SCA算法的逆運動學實時解析解優化方法

有效

• 申請號: 202010553649.1
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111814269B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 李春泉;羅族;江逸冰;何永華;熊維進;王子航;陶藝程
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F111/04;G06F111/08
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 許瑩瑩

本發明提供了一種基于RES?SCA算法的逆運動學實時解析解優化方法。針對逆運動學封閉式解析解實時尋優，提供了一種改進的正余弦算法：再平衡強化搜索SCA(RES?SCA)算法。該算法通過結合再平衡策略(RS)和強化搜索策略(ES)實現了平衡勘探與開發的同時，強化群體搜索能力，提高了收斂速度，確保了封閉式解析解尋優的快速和精確。

技術領域

本發明涉及基于RES-SCA算法的逆運動學實時解析解優化。用于在人機遙操作系統中實時求解機器人末端位置和姿態的逆運動學解，確保機器人能夠穩定和精確的完成遙操作指令。

背景技術

在遙操作場景中，為了讓機器人能夠像人類一樣靈活抓取或操作目標物體，通常需要機器人手臂要有運動學上的冗余。因此，許多機器人制造商制造了具有七自由度的機械臂來模仿人類手臂。然而，對于每個給定的末端目標，冗余將導致無窮解。這些無窮解的集合被稱為封閉解。封閉解可用于避免關節限制、躲避障礙、奇異配置以及優化機械臂動力學等。

然而，想要得到冗余機械臂的運動學逆解是困難的。求解運動學逆解的常見方法是使用雅可比矩陣的數值迭代方法。然而，這種方法需要計算雅可比矩陣的逆，這不是一項簡單的任務，尤其是對于冗余機械臂而言，此時的雅可比矩陣將不再是方陣。也有其它不依賴于雅可比矩陣的迭代方法，但依然需要多次迭代來確定逆運動學解，而且給出的解可能不是最優，甚至不是理想的。并且，數值迭代法只能獲得一個解。因此，如何得到封閉形式的解析解成為研究的熱點。

與數值迭代法不同，解析法通過根據機械臂連桿和關節的幾何構型建立冗余參數來提供封閉解。Lee等人提出了一種聯合參數化技術來導出封閉解(詳見：Redundant armkinematic control based on parameteriza-tion[C]//Proceedings.1991IEEEInternational Conference on Robotics andAutomation.IEEE,1991:458-465.)。Tolani和Badler通過指定肘部位置和固定肩或腕關節導出了封閉解(詳見：Real-time inversekinematics of the human arm[J].Presence:Tele-operatorsVirtual Environments,1996,5(4):393-401.)。Dahm和Joublin認為，對于任何給定的位姿(位置和方向)，機器人的肘部都可以自由地沿著稱為冗余圓的圓移動(詳見：Closed form solution for theinverse kinematics of a redundant robot arm[M].Ruhr-Univ.,Inst.fürNeuroinformatik,1997.)。Moradi等人在Dahm和Joublin工作的基礎上提出了一種基于閉合形式逆運動學的閉合形式解，并實現了機器人肘部運動的最小化(詳見：Joint limitanalysis and elbow movement minimization for redundant manipulators usingclosed form method[C]//International Conference on Intelligent Com-puting.Springer,Berlin,Heidelberg,2005:423-432.)。針對含關節偏移的七自由度機械臂運動學逆解問題，Sinha和Chakraborty通過利用冗余機械臂幾何形狀，使用雙參數搜索來計算多個逆運動學解(詳見：Geometric Search-Based Inverse Kinematics of 7-DoFRedundant Manipulator with Multiple Joint Offsets[C]//2019InternationalConference on Robotics andAutomation(ICRA).IEEE,2019:5592-5598.)。