[發明專利]一種基于改進型鯨魚搜索方法的機械臂軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 202110392530.5
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113043278B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 劉杰;卞新宇;呂卓昆;劉洋;李巍
• 申請（專利權）人: 南京工業職業技術大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 顏盈靜

1.一種基于改進型鯨魚搜索方法的機械臂軌跡規劃方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：獲取機械臂各連桿參數，構建機械臂的三維模型，以及構建在實際應用場景中與機械臂運動存在交互的主體的三維模型；

步驟2：定義機械臂各關節的空間坐標系；

步驟3：在步驟2的空間坐標系下，基于機械臂需完成的任務，設定主體與機械臂末端操作器之間的路徑點；通過模擬機械臂執行任務，得到設定的每個路徑點對應的機械臂末端操作器的位姿；

步驟4：根據任務要求，對相鄰的兩個路徑點之間的運動時間進行定義，得到完成整個任務所需的總時間；基于完成整個任務所需的總時間，建立機械臂運動時間最優的數學模型；

步驟5：以步驟4建立的數學模型作為鯨魚優化搜索方法的目標函數，以機械臂各關節的運動學參數的最大值作為鯨魚優化搜索方法的約束條件，采用鯨魚優化搜索方法得到最優運動時間；

步驟6：基于最優運動時間，規劃得到機械臂的運動軌跡；

所述的機械臂運動時間最優的數學模型表示為：

T_total＝min t′₁+min t'₂+min t'₃+……(2)

其中，t′₁、t'₂、t'₃分別表示相鄰兩個路徑點間機械臂的運行時間；

所述的機械臂各關節的運動學參數包括：機械臂各關節的角速度機械臂各關節的角加速度和機械臂各關節的角加加速度

所述的鯨魚優化搜索方法的約束條件表示為：

其中，為機械臂各關節的角速度的最大值，為機械臂各關節的角加速度的最大值，為機械臂各關節的角加加速度的最大值；

所述的鯨魚優化搜索方法包括以下步驟：

S100：初始化非線性收斂因子系數向量參數l、參數p、非線性慣性權重ω和最大迭代次數t_max；設置種群數量N，以及隨機產生初始種群位置；

S200：計算種群中每個鯨魚個體的適應度值，將適應度值最小的鯨魚個體定義為當前最優個體，用X^*表示其位置向量；

S300：更新每個鯨魚個體的非線性收斂因子系數向量參數l、參數p、非線性慣性權重ω；

S400：判斷更新后的參數是否滿足：p＜0.5且|A|＜1；若滿足，則根據下式更新每個鯨魚個體的位置，即當前求解到的最短運行時間：

若更新后的參數滿足p＜0.5且|A|≥1，則根據下式更新每個鯨魚個體的位置：

若更新后的參數滿足p≥0.5，則根據下式更新每個鯨魚個體的位置：

其中，為非線性收斂因子；為系數向量；l為[-1,1]的隨機數；p為[0,1]的隨機數；為[0,1]的隨機向量；ω為非線性慣性權重；t_max為最大迭代次數；

S500：判斷迭代次數是否達到最大迭代次數t_max，若未達到，則返回S200；若達到，則輸出當前最優個體及其位置向量X^*，即得到最優運動時間。

2.根據權利要求1所述的一種基于改進型鯨魚搜索方法的機械臂軌跡規劃方法，其特征在于：所述步驟2具體包括：

將機械臂連桿i+1兩端關節的公垂線與連桿i對應的關節的軸線的交點定義為原點，沿該公垂線并指向連桿i+1對應的關節的方向建立x_i軸，沿連桿i對應的關節軸線建立z_i軸，通過右手法則確定y_i軸。

3.根據權利要求1所述的一種基于改進型鯨魚搜索方法的機械臂軌跡規劃方法，其特征在于：步驟3中，所述的設定主體與機械臂末端操作器之間的路徑點，具體包括：

在軟件ROBCAD中定義機械臂末端操作器在完成任務時經過的路徑點。

4.根據權利要求1所述的一種基于改進型鯨魚搜索方法的機械臂軌跡規劃方法，其特征在于：步驟3中，所述的位姿表示為：

其中，n_x、n_y、n_z分別為描述末端操作器坐標系在x、y、z方向的法向矢量；o_x、o_y、o_z分別為描述末端操作器坐標系在x、y、z方向的方位矢量；a_x、a_y、a_z分別為描述末端操作器坐標系在x、y、z方向的接近矢量；p_x、p_y、p_z分別為描述末端操作器坐標系在x、y、z方向的位置矢量。