[发明专利]多约束条件下七自由度仿人机械臂的逆运动学拟人臂构型优化方法

权利要求书

1.多约束条件下七自由度仿人机械臂的逆运动学拟人臂构型优化方法，其特征在于，所述方法包括可用臂构型描述部分和拟人臂构型冗余解优化部分；

可用臂构型描述部分包括：

步骤一、根据仿人机械臂末端执行器的运动轨迹计算满足关节限位条件的仿人机械臂自运动的范围；

该步骤的具体过程为：

以第二关节为坐标原点建立三维基坐标，沿着所述运动轨迹给定仿人机械臂末端执行器相对于所述三维基坐标的期望位置和期望姿态，通过建立基于臂角的仿人机械臂运动学模型获得第一至第七关节角与臂角的关系；

第一关节至第七关节依次分布在所述仿人机械臂的基座与末端执行器之间；

根据第一至第七关节角与臂角的关系，将第二关节和第六关节的运动范围分别分为正负两个区域，进而将整个臂角区域分为四个臂角区域：

第一臂角区域，满足第二关节角和第六关节角同时小于0；

第二臂角区域，满足第二关节角小于0，第六关节角大于0；

第三臂角区域，满足第二关节角大于0，第六关节角小于0；

第四臂角区域，满足第二关节角和第六关节角同时大于0；

分别计算第一臂角区域、第二臂角区域、第三臂角区域和第四臂角区域内所述仿人机械臂的可用臂角范围，从而计算出所述仿人机械臂在所述运动轨迹下满足关节限位条件的自运动范围；

步骤二、建立仿人机械臂在关节限位下自运动形成的扫掠体的基于球扫掠凸体的碰撞检测模型；

步骤三、分别建立仿人机械人中除机械臂外的其他部件和周围静止环境的基于球扫掠凸体的碰撞检测模型；

步骤四、采用基于球扫掠凸体的碰撞检测方法检测仿人机械臂自运动形成的扫掠体的基于球扫掠凸体的碰撞检测模型与仿人机械人的其他部件以及周围静止环境的基于球扫掠凸体的碰撞检测模型之间是否发生碰撞以及是否存在可能的碰撞点，剔除发生碰撞和可能发生碰撞的臂构型，获得可用臂构型集；

拟人臂构型冗余解优化部分包括：

步骤五、在整个臂角区域内选择优化臂角区域，优化臂角区域为连续性最佳，范围最大和过渡次数最少的区域；

步骤六、基于操作椭球优化法在优化臂角区域内选择拟人臂构型；

步骤七、引入仿人机械臂自运动处理不可用优化臂角；

步骤八、当存在臂角区域的过渡时，在过渡点的两侧采用过渡点臂角的优化方法优化过渡点处的臂角；

步骤九、根据最优臂角区域的优化臂角曲线以及基于臂角参数的仿人机械臂解析逆运动学公式计算各个关节的解析逆解。

2.如权利要求1所述的多约束条件下七自由度仿人机械臂的逆运动学拟人臂构型优化方法，其特征在于，步骤二采用球扫掠凸体构建仿人机械臂在关节限位下自运动形成的扫掠体的碰撞检测模型，当仿人机械臂自运动时，其上臂和下臂分别形成圆锥面扫掠体，根据第四关节自运动形成的轨迹，采用n个球扫掠凸体构建所述圆锥面扫掠体；

上臂包括第一关节至第四关节，下臂包括第四关节至第七关节，n为正整数；

所述球扫掠凸体由球半径和五个顶点构成，该球扫掠凸体定义为：

其中，r₁为球扫掠凸体V₁的半径，球扫掠凸体V₁的五个顶点分别为至为第一关节、第二关节与第三关节的旋转轴线的交点或者第五关节、第六关节与第七关节的旋转轴线的交点，为第四关节的位置，是自运动旋转ψ_l/2n的点，是自运动旋转ψ_l/n的点，ψ_l为自运动旋转的角度；

或者，所述球扫掠凸体由球半径和四个顶点构成，该球扫掠凸体定义为：

其中，r₂为球扫掠凸体V₂的半径，球扫掠凸体V₂的四个顶点分别为至为第一关节、第二关节与第三关节的旋转轴线的交点或者第五关节、第六关节与第七关节的旋转轴线的交点，为第四关节的位置，是自运动旋转ψ_m/n的点，ψ_m为自运动旋转的角度。