[发明专利]一种基于改进型鲸鱼搜索方法的机械臂轨迹规划方法

权利要求书

1.一种基于改进型鲸鱼搜索方法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：获取机械臂各连杆参数，构建机械臂的三维模型，以及构建在实际应用场景中与机械臂运动存在交互的主体的三维模型；

步骤2：定义机械臂各关节的空间坐标系；

步骤3：在步骤2的空间坐标系下，基于机械臂需完成的任务，设定主体与机械臂末端操作器之间的路径点；通过模拟机械臂执行任务，得到设定的每个路径点对应的机械臂末端操作器的位姿；

步骤4：根据任务要求，对相邻的两个路径点之间的运动时间进行定义，得到完成整个任务所需的总时间；基于完成整个任务所需的总时间，建立机械臂运动时间最优的数学模型；

步骤5：以步骤4建立的数学模型作为鲸鱼优化搜索方法的目标函数，以机械臂各关节的运动学参数的最大值作为鲸鱼优化搜索方法的约束条件，采用鲸鱼优化搜索方法得到最优运动时间；

步骤6：基于最优运动时间，规划得到机械臂的运动轨迹；

所述的机械臂运动时间最优的数学模型表示为：

T_total＝min t′₁+min t'₂+min t'₃+……(2)

其中，t′₁、t'₂、t'₃分别表示相邻两个路径点间机械臂的运行时间；

所述的机械臂各关节的运动学参数包括：机械臂各关节的角速度机械臂各关节的角加速度和机械臂各关节的角加加速度

所述的鲸鱼优化搜索方法的约束条件表示为：

其中，为机械臂各关节的角速度的最大值，为机械臂各关节的角加速度的最大值，为机械臂各关节的角加加速度的最大值；

所述的鲸鱼优化搜索方法包括以下步骤：

S100：初始化非线性收敛因子系数向量参数l、参数p、非线性惯性权重ω和最大迭代次数t_max；设置种群数量N，以及随机产生初始种群位置；

S200：计算种群中每个鲸鱼个体的适应度值，将适应度值最小的鲸鱼个体定义为当前最优个体，用X^*表示其位置向量；

S300：更新每个鲸鱼个体的非线性收敛因子系数向量参数l、参数p、非线性惯性权重ω；

S400：判断更新后的参数是否满足：p＜0.5且|A|＜1；若满足，则根据下式更新每个鲸鱼个体的位置，即当前求解到的最短运行时间：

若更新后的参数满足p＜0.5且|A|≥1，则根据下式更新每个鲸鱼个体的位置：

若更新后的参数满足p≥0.5，则根据下式更新每个鲸鱼个体的位置：

其中，为非线性收敛因子；为系数向量；l为[-1,1]的随机数；p为[0,1]的随机数；为[0,1]的随机向量；ω为非线性惯性权重；t_max为最大迭代次数；

S500：判断迭代次数是否达到最大迭代次数t_max，若未达到，则返回S200；若达到，则输出当前最优个体及其位置向量X^*，即得到最优运动时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进型鲸鱼搜索方法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

将机械臂连杆i+1两端关节的公垂线与连杆i对应的关节的轴线的交点定义为原点，沿该公垂线并指向连杆i+1对应的关节的方向建立x_i轴，沿连杆i对应的关节轴线建立z_i轴，通过右手法则确定y_i轴。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进型鲸鱼搜索方法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于：步骤3中，所述的设定主体与机械臂末端操作器之间的路径点，具体包括：

在软件ROBCAD中定义机械臂末端操作器在完成任务时经过的路径点。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进型鲸鱼搜索方法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于：步骤3中，所述的位姿表示为：

其中，n_x、n_y、n_z分别为描述末端操作器坐标系在x、y、z方向的法向矢量；o_x、o_y、o_z分别为描述末端操作器坐标系在x、y、z方向的方位矢量；a_x、a_y、a_z分别为描述末端操作器坐标系在x、y、z方向的接近矢量；p_x、p_y、p_z分别为描述末端操作器坐标系在x、y、z方向的位置矢量。