[發(fā)明專利]一種基于BAS算法的六自由度偏置機(jī)器人逆解方法

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• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111482969A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 甘亞光;張曉龍;甘亞輝;劉元建
• 申請（專利權(quán)）人: 納博特南京科技有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G06F17/15
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于機(jī)器人逆運動學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種六自由度偏置機(jī)器人的逆運動學(xué)通用求解方法。該方法首先將手腕無偏置型機(jī)器人運動學(xué)逆解作為迭代起點，其后通過齊次坐標(biāo)變換矩陣構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)F(X)，最后通過BAS算法，引入步長改進(jìn)策略，以及天牛個體大小縮變策略，由迭代初始的大步長大天牛粗略搜索大致范圍，到迭代中后期的小步長小天牛精細(xì)搜索，比較左須函數(shù)值和右須函數(shù)值的大小，確定下一次飛行方向和位置，同時引入隨機(jī)因素，提高全局尋優(yōu)能力，不斷迭代直至得到手腕偏置型機(jī)器人的逆運動學(xué)解。該方法相較于傳統(tǒng)的逆解算法，有更快的收斂性，大大減小了計算量，提高實時性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人逆運動學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種六自由度偏置機(jī)器人的逆運動學(xué)通用求解方法。

背景技術(shù)

逆運動學(xué)算法是機(jī)器人運動學(xué)的重要組成部分，通過逆解算法求得各任務(wù)軌跡點處各關(guān)節(jié)角度值，據(jù)此可建立軌跡函數(shù)，進(jìn)一步找到各關(guān)節(jié)位置、速度、加速度。為了得到封閉形式的位置逆解，機(jī)器人一般采用所謂的球形手腕，其3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸線交于一點，恰好滿足Pieper給出的具有封閉解的條件，然而，球形手腕結(jié)構(gòu)也有著很大的局限性，并不總能滿足要求。一方面是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)限制中間關(guān)節(jié)無法實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動，從而限制了機(jī)器的靈活性；另一方面是由于三軸相交的限制使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受限，不能滿足操作大負(fù)荷的要求。

為了解決這些問題，不得不使用所謂“偏置手腕”的結(jié)構(gòu)形式。限于目前的數(shù)學(xué)工具，偏置型機(jī)器人的逆運動學(xué)問題一般沒有實用的封閉解，通常采用數(shù)值解法。數(shù)值法主要有牛頓-拉夫森法、優(yōu)化算法和迭代搜索類算法等，此外還有學(xué)者嘗試使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、牛頓-拉夫森法及其改進(jìn)算法。這些算法均存在算法復(fù)雜、運算量大的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，故在此提出一種基于BAS算法(天牛須算法)的六自由度偏置機(jī)器人逆解方法。本發(fā)明的精度高、收斂性快，求解過程更加實時、快速、準(zhǔn)確。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開的方法具體包括以下步驟。

S1，構(gòu)建六自由度偏置機(jī)器人的sdh模型：六自由度偏置機(jī)器人由基座、末端執(zhí)行器和5個連桿以及6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成；基于標(biāo)準(zhǔn)的DH參數(shù)法建立各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系0為基坐標(biāo)系，坐標(biāo)系i為建立在連桿i的末端即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i+1上的坐標(biāo)系，坐標(biāo)系i具有X_i、Y_i、Z_i軸，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ_i表示X_i軸與X_i-1軸的夾角，i＝1,2,3,4,5,6，坐標(biāo)系6為末端執(zhí)行器坐標(biāo)系。

S2，將六自由度偏置機(jī)器人的末端坐標(biāo)系的目標(biāo)位姿當(dāng)作手腕無偏置型機(jī)器人的末端坐標(biāo)系的位姿，求得手腕無偏置型機(jī)器人的運動學(xué)逆解的解析解即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的無偏置關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ₁′至θ₆′，作為迭代初始點X₀。

S3，構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)F(X)：

。

其中X為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ₁至θ₆，表示引入偏置參數(shù)的坐標(biāo)系6相對于坐標(biāo)系0的齊次坐標(biāo)變換矩陣的第p行第q列元素，p=1,2,3，q=1,2,3,4，nx、ny、nz分別為坐標(biāo)系6的X₆軸與坐標(biāo)系0的X₀、Y₀、Z₀軸的夾角余弦值；ox、oy、oz分別為坐標(biāo)系6的Y₆軸與坐標(biāo)系0的X₀、Y₀、Z₀軸的夾角余弦值；ax、ay、az分別為坐標(biāo)系6的Z₆軸與坐標(biāo)系0的X₀、Y₀、Z₀軸的夾角余弦值；px、py、pz為坐標(biāo)系6的原點在坐標(biāo)系0中的笛卡爾坐標(biāo)。

S4，基于BAS算法求取六自由度偏置機(jī)器人的逆運動學(xué)解，具體包括以下步驟。