[发明专利]7-DOF仿人臂飞行物体作业最小加速度轨迹优化

说明书

本发明公开一种7‑DOF仿人臂飞行物体作业最小加速度轨迹优化方法，包括如下步骤：S1.建立数学模型，采用4次多项式插补作业过程与返回过程的关节轨迹，并以关节角加速度范数最小作为算法优化的目标函数；S2.设置粒子群优化算法运行参数；S3.运行粒子群优化算法，通过最小化目标函数寻优获得一组最优冗余变量参数；S4.将最优冗余变量参数代入仿人臂飞行物体作业动作轨迹参数化中，获得关节角加速度范数最小动作轨迹。本发明能获得一条角加速度连续、同时又能使角加速度范数最小的仿人臂飞行物体作业动作轨迹，避免仿人臂动作过程中因不连续角加速度轨迹引起的隐性振动，减少对机器人本体位姿扰动，提高仿人臂的执行精度。

技术领域

本发明涉及一种7-DOF仿人臂飞行物体作业最小加速度轨迹优化方法，属于机器人控制技术领域。

背景技术

七自由度仿人臂轨迹规划问题是当前机器人领域中的研究热点，它为机器人能更好地服务于人类起着重要作用。机器人轨迹规划是指在机器人各运动约束范围内，设计一条满足任务需求合理的动作轨迹。根据规划空间的不同机器人轨迹规划可分为关节空间规划与任务空间规划两种方法，其中关节空间规划具有较好实时性，计算量小；任务空间规划需要将笛卡尔空间末端轨迹通过逆运动学映射到关节空间内，计算量较大。

七自由度仿人臂由于连杆机构与形状设计使得其各关节位置转动范围有限，仿人臂关节驱动能力的限制也致使其运动能力有限，因此在对飞行物体作业任务执行中，需在仿人臂关节物理约束范围内规划一条能满足实际任务需求的光滑、连续的动作轨迹。7-DOF仿人臂关节结构冗余，存有无穷多种构型满足末端的作业任务需求，因此需在机构物理约束范围内按照一定的目标准则优选确定一条满足任务需求的最优运动轨迹。目前已有学者对冗余仿人臂轨迹规划问题进行相关研究，如通过关节力矩信息描述“舒适度”指标规划仿人臂的动作轨迹(《Simulation Modelling Practice and Theory》(2005,13(5):437-449))，综合仿人臂总势能和腕部不适度作为优化指标准则解决仿人臂的运动冗余问题(《北京工业大学学报》(2014,40(4):502-508))等等，但这些方法并没有考虑仿人臂面向飞行物体作业特殊环境下轨迹规划存在的问题要求。

七自由度仿人臂在对飞行物体快速运动过程中，由于仿人臂与机器人本体之间的动力学耦合，仿人臂将对本体(如双足仿人机器人本体或不固定/漂浮的基座)产生较大的反作用。仿人臂对本体的反作用一方面使本体基点的位姿产生扰动，影响仿人臂末端的执行精度，同时也将影响到本体的平衡与稳定性，因此在规划仿人臂动作轨迹时需要考虑如何能减少对本体的反作用。对于对本体的反作用力，仿人臂动作轨迹的加速度信息是影响仿人臂对本体(双足机器人本体或不固定/漂浮的基座)反作用大小的其中一关键因素，角加速度小的动作轨迹将有利于减少仿人臂对本体的反作用，利于机器人本体的平衡性(《自动化学报学报》(2014,40(7):1328-1338))。另外加速度轨迹的连续性是影响仿人臂动作对本体反作用扰动的另一个重要因素，加速度不连续的动作轨迹将可能引起仿人臂动作过程中系统的隐性振动，从而对机器人本体产生较大扰动。因此规划仿人臂动作轨迹一方面需考虑轨迹角加速度连续性，另一方面需考虑将轨迹加速度指标作为7-DOF仿人臂对飞行物体作业时轨迹优选的目标准则。

发明内容

鉴于上述原因，本发明提供一种7-DOF仿人臂飞行物体作业最小加速度轨迹优化方法，在满足所规划轨迹角加速度连续的同时，又能使轨迹动作过程的加速度范数最小化。本发明方法可减少仿人臂动作过程中对机器人本体的位姿扰动，减轻对本体的平衡性影响，提高仿人臂的执行精度。

7-DOF仿人臂飞行物体作业的任务要求是其末端灵巧手(手心)在作业要求时刻t_f1从静态初始点运动至目标作业点位置(记P),并对物体目标能以要求的笛卡尔速度(记V)进行作业，随后从目标作业点返回至静态初始点。由此可看出，仿人臂飞行物体作业的动作轨迹可分两部分：(1)灵巧手心从静态初始点位置运动至目标作业点(记作业过程)，(2)灵巧手心从目标作业点位置返回至静态初始点(记返回过程)。