[發明專利]基于末端工作空間的仿人機械臂的跟隨控制方法及系統

有效

• 申請號: 202111177274.4
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN113967911B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發明（設計）人: 楊燦軍;武鑫;朱元超;王楚璇;魏謙笑
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J3/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 何彬

1.一種基于末端工作空間的仿人機械臂的跟隨控制方法，所述仿人機械臂為異構仿人機械臂，用于通過把人手臂和所述異構仿人機械臂的工作空間進行匹配，而把所述人手臂的動作映射給結構尺寸與所述人手臂不相同的所述異構仿人機械臂，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟：

獲取步驟，獲取所述人手臂在示范動作過程中的關節角度數據；

匹配步驟，對所述異構仿人機械臂與所述人手臂的末端工作空間進行匹配，獲取兩個空間之間的轉換矩陣；并基于所述人手臂的當前腕關節坐標數據，利用所述轉換矩陣，計算出所述異構仿人機械臂的目標腕關節坐標數據；

計算步驟，基于所述目標腕關節坐標數據及所述異構仿人機械臂的結構尺寸數據，并以人體小臂的方向向量作為所述仿人機械臂的小臂的方向向量，計算出所述仿人機械臂的肘關節坐標數據；

求解步驟，以異構仿人機械臂的肘關節及肩關節角度數據為自變量，以機械臂末端工作空間為自變量取值范圍，至少以機械臂腕關節位置相對所述目標腕關節坐標數據的計算偏差構建適應度函數，利用遺傳算法搜索出最優肘關節與肩關節的角度數據，作為所述異構仿人機械臂的關節角度數據及肘關節角度數據；及以所述人手臂的腕關節角度相對改變數據計算所述異構仿人機械臂的腕關節角度改變數據；

執行步驟，基于所計算出的關節角度數據與肘關節角度數據，控制所述異構仿人機械臂執行與所述人手臂相近似的模仿動作；

所述適應度函數為fit＝D_h+0.03D_e+0.03Sum；

其中，D_h為近似腕關節位置與所述目標腕關節坐標數據所表征位置的歐式距離，D_e為基于肘關節角度近似解計算出的近似肘關節位置與所述肘關節坐標數據所表征位置的歐式距離，Sum為當前個體所表征的關節角度值之和。

2.根據權利要求1所述的跟隨控制方法，其特征在于，所述求解步驟包括以下步驟：

以每代個體所表征的角度數據作為肘關節角度與肩關節角度的近似解，計算出近似腕關節位置；

基于所述目標腕關節坐標數據與所述近似腕關節位置，獲取腕關節位置的計算偏差，至少以所述計算偏差最小為基準，獲取最優解。

3.根據權利要求2所述的跟隨控制方法，其特征在于：

所述適應度函數基于腕關位置及肘關節位置的計算偏差進行構建，并考慮腕關節位置的計算偏差。

4.根據權利要求1至3任一項權利要求所述的跟隨控制方法，其特征在于，所述利用遺傳算法搜索出最優肘關節與肩關節的角度數據的步驟包括以下步驟：

以所述異構仿人機械臂的末端工作空間為取值區間，隨機生成多個肘關節與肩關節角度解構建個體，組成初始種群；

基于適應度函數，計算個體適應度值，并進行高低排序，使用指數分布的形式生成隨機整數對個體進行選擇，并對隨機選擇出的兩個個體基于直接融合方式繁殖下一代；

依據預設比例，利用繁殖產生的子代個體替代適應度值最大的部分個體，并基于變異概率，增加部分變異生成的新個體；

重復上述步驟至滿足預設條件，獲取適應度值最小的個體所表征的關節角度數據作為肘關節與肩關節角度的近似解。

5.根據權利要求4所述的跟隨控制方法，其特征在于：

基于所獲取所述異構仿人機械臂的工作場所三維信息，所述自變量取值范圍為所述異構仿人機械臂的末端工作空間排除干涉空間后的可行工作空間。

6.根據權利要求4所述的跟隨控制方法，其特征在于：

所述人手臂的示范動作包括肘部彎曲朝前、肘部彎曲朝上、肘部彎曲朝下、手臂伸直向外、手臂伸直向前及手臂伸直向前中。

7.根據權利要求1至3任一項權利要求所述的跟隨控制方法，其特征在于：

基于所獲取所述異構仿人機械臂的工作場所三維信息，所述自變量取值范圍為所述異構仿人機械臂的末端工作空間排除干涉空間后的可行工作空間。