[發明專利]一種基于阻尼最小二乘的多關節機械臂避障逆運動學方法

在審

• 申請號: 202210418696.4
• 申請日: 2022-04-20
• 公開（公告）號: CN114589701A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 黃方昊;董思旻;沈翀;陳正;聶勇;唐建中
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J17/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種基于阻尼最小二乘的多關節機械臂避障逆運動學方法。包括：根據多關節機械臂的結構建立D?H關節坐標系，然后求出多關節機械臂的正運動學的坐標轉換關系和雅可比矩陣；再根據障礙物與多關節機械臂中各連桿之間的相對位置關系以及多關節機械臂的正運動學的坐標轉換關系，計算障礙物對多關節機械臂中各連桿的總虛擬斥力；最后基于阻尼最小二乘法，根據雅可比矩陣和虛擬斥力建立多關節機械臂逆運動學優化目標函數，采用數值迭代方法求解多關節機械臂逆運動學優化函數，獲得多關節機械臂的末端位姿對應的各關節角度。本發明將避障規劃與機械臂逆運動學求解過程融合，簡化了避障方法的流程，并保證了此類機械臂避障的實時性。

技術領域

本發明屬于機械臂運動學領域的一種多關節機械臂的逆運動學方法，具體涉及了一種基于阻尼最小二乘的多關節機械臂避障逆運動學方法。

背景技術

多關節機械臂是冗余機械臂的一種，在三個位置自由度和三個姿態自由度以外還擁有較多冗余自由度，這導致了多關節機械臂自運動的特性，也就是在保證末端位姿固定的情況下，各關節仍然可以運動。因此，這類機械臂的運動靈活性很高，可以在末端位姿不變的同時完成避障，十分適合在復雜環境下作業。

多關節機械臂的避障的首要步驟就是逆運動學的求解，由于自由度的極大冗余，多關節機械臂的逆運動學解析解往往不存在，即使存在解析解也往往伴隨了難以篩選的多個解，考慮到多關節機械臂逆運動學的復雜性，目前常見的逆運動學求解方法一般不考慮障礙約束。

發明內容

為了克服多關節機械臂冗余自由度帶來的困難，在避障需求下充分利用多關節機械臂的靈活性，為提高具有冗余自由度的多關節機械臂在復雜環境下的作業性能，本發明提供了一種基于阻尼最小二乘的多關節機械臂避障逆運動學方法。本發明針對多關節機械臂在運動過程中實時避障問題，給定機械臂的末端位姿、障礙物空間坐標和障礙物大小，基于阻尼最小二乘方法設計了機械臂的逆運動學優化函數，采用迭代求解得到最終滿足避障條件的關節角度，簡化了多關節機械臂避障的方法復雜度。

為實現上述目的，本發明的技術方案具體內容如下：

本發明包括以下步驟：

第一步：根據多關節機械臂的結構建立D-H關節坐標系，基于D-H關節坐標系求出多關節機械臂的正運動學的坐標轉換關系和雅可比矩陣；

第二步：根據障礙物與多關節機械臂中各連桿之間的相對位置關系以及多關節機械臂的正運動學的坐標轉換關系，計算障礙物對多關節機械臂中各連桿的總虛擬斥力；

第三步：基于阻尼最小二乘法，根據雅可比矩陣和虛擬斥力建立多關節機械臂逆運動學優化目標函數，采用數值迭代方法求解多關節機械臂逆運動學優化函數，獲得多關節機械臂的末端位姿對應的各關節角度。

所述第二步具體為：

2.1)根據障礙物與多關節機械臂中連桿之間的相對位置關系以及多關節機械臂的正運動學的坐標轉換關系，計算各個障礙物對多關節機械臂中每一連桿的虛擬斥力的作用方向以及對應虛擬斥力勢能；

2.2)將各個障礙物對多關節機械臂中當前連桿的虛擬斥力的作用方向和對應虛擬斥力勢能相乘后，獲得各個障礙物對多關節機械臂中當前連桿的虛擬斥力，接著對各個虛擬斥力進行求和，獲得障礙物對多關節機械臂中當前連桿的總虛擬斥力；

2.3)重復2.1)-2.2)，計算并獲得障礙物對多關節機械臂中剩余連桿的總虛擬斥力。

所述各個障礙物對多關節機械臂中每一連桿的虛擬斥力的作用方向由障礙物與連桿之間的相對位置確定，具體地：