[發明專利]冗余機器人逆運動學求解方法、裝置和冗余機器人

有效

• 申請號: 202010659812.2
• 申請日: 2020-07-10
• 公開（公告）號: CN111538949B
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 王岳嵩;黃荔群;任曉雨;趙明國;熊友軍
• 申請（專利權）人: 深圳市優必選科技股份有限公司
• 主分類號: G06F17/15
• 分類號: G06F17/15;G06F17/16;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 梁韜

本發明實施例公開了一種冗余機器人逆運動學求解方法、裝置和冗余機器人，該方法包括：根據預先規劃的末端位姿獲取該冗余機器人在當前構型下滿足該末端位姿的雅克比矩陣零空間的表達式，以得到在當前構型的零空間中各關節角速度之間的關系式；基于正運動學算法構建該冗余機器人的能量函數，并根據各關節角速度之間的關系式對該能量函數進行能量最優求解以得到目標關節角，將該目標關節角作為滿足該末端位姿的運動學逆解并發送至對應的關節電機。本發明的技術方案提出基于能量最優求解冗余機器人逆運動學，通過該方法計算得到的關節角運動學逆解符合生物體特性，理解直觀，且末端軌跡經過不同象限時，各關節角能夠保持連續和光滑等。

技術領域

本發明涉及冗余機器人技術領域，尤其涉及一種冗余機器人逆運動學求解方法、裝置和冗余機器人。

背景技術

冗余機器人逆運動學是指給定一個規劃的機器人末端位姿，利用逆運動學算法求解一組關節角并發送給各關節電機進行運動控制的過程。由于冗余機器人逆運動學有無窮解的特點，如何高效求解它成為了一個廣泛關注的問題。

目前，求解逆運動學的解法一般可分成兩大類，即解析法和數值迭代法。對于解析法逆運動學，利用機器人的幾何特征求解各關節角，通常需要添加一些額外的幾何約束進行求解，比如規定臂型角的角度或者肘關節在某一平面內等。其優點是計算量小且是精確解，其缺點在于給出的解在無窮逆解中不是最優的，其次機器人在奇異點處無法直接求解，并且機械臂末端軌跡通過某些象限時，機器人關節角可能會出現跳變、翻轉等情況。

對于數值迭代法逆運動學，其中最典型的是基于雅克比偽逆矩陣的速度級求解，通過求解關節角速度，然后通過積分得到關節角。使用雅克比矩陣的偽逆矩陣實際是在求解過程添加了一個約束，即使迭代過程中各關節角變化之和最小。對于該基于雅克比偽逆的數值迭代法的本質是根據末端點工作空間的誤差，把它投影到每個關節上做一個簡單的比例控制。這種迭代方法可以通過若干次迭代計算，收斂到無窮逆解中的一個。但這種計算方法的缺點是計算量較大，增益矩陣的設定需考慮系統算力，并且迭代出的結果不可控，有時機器人會出現抖動的情況，并且機器人關節角容易超出工作范圍。

發明內容

有鑒于此，本發明目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種冗余機器人逆運動學求解方法、裝置和冗余機器人。

本發明實施例提供一種冗余機器人逆運動學求解方法，包括：

根據預先規劃的末端位姿獲取該冗余機器人在在滿足所述末端位姿下的當前構型的雅克比矩陣零空間的表達式，以得到在所述當前構型的零空間中各關節角速度之間的關系式；

基于正運動學算法構建該冗余機器人的能量函數，并根據所述各關節角速度之間的關系式對所述能量函數進行能量最優求解，以得到目標關節角；

將所述目標關節角作為該冗余機器人滿足所述末端位姿的運動學逆解并發送至對應的關節電機以進行關節控制。

在一種實施例中，在上述的冗余機器人逆運動學求解方法中，還包括：

判斷所述運動學逆解是否滿足預設條件；

若不滿足，則對該冗余機器人進行所述關節控制后，計算下一構型的雅克比矩陣零空間的表達式，以得到在所述下一構型的零空間中各關節角速度之間的關系式；

根據所述下一構型對應的各關節角速度之間的關系式對所述能量函數進行能量最優求解，以得到滿足所述末端位姿的下一運動學逆解并發送至所述關節電機以進行關節控制，返回所述判斷步驟；

若滿足，則停止執行所述下一構型的雅克比矩陣零空間的表達式的計算步驟。

在一種實施例中，在上述的冗余機器人逆運動學求解方法中，若該冗余機器人的自由度為n，當前構型為，則該冗余機器人在滿足相同末端位姿的構型的集合為：，于是，所述雅克比矩陣零空間的表達式滿足：