[发明专利]一种冗余度机械臂运动规划方法

说明书

技术领域

本发明属于冗余度机械臂运动规划方法，特别是涉及一种关节角速度变 极限的冗余度机械臂运动规划方法。

背景技术

冗余度机械臂是一种自由度大于任务空间所需最少自由度的末端能动机 械装置，其运动任务包括焊接、油漆、组装、挖掘和绘图等，广泛应用于装 备制造、产品加工、机器作业等国民经济生产活动中。冗余度机械臂的逆运 动学问题是指已知机械臂末端位姿，确定机械臂的关节角问题。传统的冗余 度解析方法以及工业机械臂控制方法主要是基于伪逆的方法：即，把问题的 解转化成求一个最小范数解加上一个同类解。次目标可以被指定到同类解上， 去控制机械臂的自运动以躲避障碍物、关节极限、奇异点和优化其它目标函 数。其缺点是在处理不等式约束上有困难，计算量大，实时性差，而且它会 遇到奇异情况而生成不可行解，在实际机械臂的应用中受到很大的制约。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种计算量小、实时性强 且能适应关节角速度极限变化的冗余度机械臂运动规划方法。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下：

一种冗余度机械臂运动规划方法，包括如下步骤：

1)通过上位机采用二次型优化在速度层上对机械臂的逆运动学解析，设 计的最小性能指标可为速度范数、重复运动或动能，受约束于速度雅可比等 式、不等式和关节角速度极限，该角速度极限是随关节角度变化的；

2)将步骤1)的二次型优化转化为二次规划问题；

3)将步骤2)的二次规划问题用线性变分不等式原对偶神经网络求解器 或数值方法求解；

4)将步骤3)的求解结果传递给下位机控制器驱动机械臂运动。

本发明基于线性变分不等式的原对偶神经网络具有全局指数收敛性，且 没有涉及到矩阵求逆等复杂运算，大大地提高了计算效率，同时实时性强且 能适应关节角速度极限变化。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实现本发明的机械臂结构主视图；

图3为实现本发明的机械臂结构俯视图；

图4为机械臂局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1所示的冗余度机械臂运动规划方法主要由目标问题1、二次规划问 题2、基于线性变分不等式原对偶神经网络求解器或二次规划数值算法3、下 位机控制器4和机械臂5组成。先将逆运动学求解在速度层上设计为最小化 且受约束于θ^-≤θ≤θ⁺，欲优化的性 能指标可以是最小速度范数函数重复运动指标 或最小动能函数将上述的各种冗余度解析 方案转化为通用的二次型优化标准形式2，再使用基于线性变分不等式的原 对偶神经网络或二次规划数值方法3求解，并将求解结果传递给下位机控制 器4驱动机械臂5运动。

图2和图3所示的机械臂由机械臂连杆1、推杆2、关节3、关节与推杆 施力点连结部4和基座5组成。其中推杆2的存在使其不同于传统无推杆串 联机械臂的角速度恒定极限方式，而是一种变极限机械臂。在实时计算机械 臂的逆解时，这个角速度极限是角度的函数。因此，通过改变二次规划的约 束条件从而实现变极限的控制。

图4所示机械臂局部示意图，在通常的设计中，认为机械的动力产生于 内部电机力矩，即假设动力不是来自于推杆，或者认为4非常小，几乎可以 忽略，这样1和2就会重合在一起。本发明涉及的机械臂设计中，推杆是存 在的，即4不可能忽略。这样，由于推杆的存在使得原来的角速度极限在每 时每刻都会变化，是角度的函数。假设1的长度为a，4的长度为b，2的长 度为c。具体推导过程如下：