[发明专利]一种针对闭链奇异点回避的双臂协同运动规划方法及系统

说明书

本发明公开的一种针对闭链奇异点回避的双臂协同运动规划方法及系统，包括：获取被搬运物体的起始点和终止点；根据被搬运物体的起始点和终止点，确定闭链系统的关节路径及雅可比；根据闭链系统的雅可比确定闭链系统关节路径的奇异区域部分；对于奇异区域部分，确定闭链系统的主臂和从臂，基于阻尼最小二乘的雅可比伪逆法确定主臂的关节速度；根据主臂的关节速度，确定从臂的关节速度；对各臂的关节速度进行积分，获得各臂的关节角度变化值；通过各臂的关节角度变化值，替换关节路径中的奇异区域部分，获得闭链系统无奇异点的规划路径。实现了对闭链系统奇异点的回避，保证了闭链系统在奇异点处关节解和被搬运物体在任务空间中解的确定性。

技术领域

本发明涉及双臂协同运动规划技术领域，尤其涉及一种针对闭链奇异点回避的双臂协同运动规划方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

相比单臂机器人，双臂机器人拥有更好的负载能力，由于自由度和末端执行器数量的增加，双臂机器人可以完成更多单臂机器人无法完成的任务，例如双臂协同搬运物体工作，因此双臂机器人在制造业等领域拥有更加广泛的用途。

双臂机器人进行搬运作业时，根据环境约束对机器人进行运动规划是一个极为重要的环节，运动规划需要得到搬运作业的无碰撞路径，以保证被搬运物体和机器人本体的安全性。针对双臂协同搬运的运动规划，现有的工作主要分为两类：在关节空间中的规划方法和在任务空间中的规划方法，然而在环境约束较为复杂时，直接对在关节空间中进行规划无法保证被搬运物体的运行路径满足环境中的障碍物约束，常采用任务空间中的运动规划方法。任务空间中的运动规划方法主要通过设置双臂机器人的主臂和从臂，首先对主臂末端进行路径规划，然后根据双臂协同的运动学约束，计算出从臂末端和被搬运物体的连续路径，以完成运动规划任务。

双臂机器人在搬运物体的过程中，双臂末端存在着严格的运动学约束，此时双臂与被搬运物体形成了闭链。与单机械臂相似，该闭链也存在着奇异点，在闭链工作空间范围内，由于特殊关节配置导致末端坐标系在笛卡尔坐标系下失去某个方向自由度的奇异点称为闭链系统的末端执行器奇异点。Zhou等人提出了在奇异点处通过一个机械臂固定物体、改变另一个机械臂的抓取配置，使得新配置下的闭链系统非奇异，这类重规划方法有效避免了奇异点处无解的情况，但是降低了规划效率。奇异点的出现与关节配置有关，同时也与闭链末端坐标系的位置有关，Park等人通过改变末端坐标系位置增加系统的冗余度，从而改变闭链系统的雅可比构造实现闭链奇异点的穿越。而当作业环境较为简单时，奇异点穿越方法可以有效避免在奇异点处进行重规划或重抓取，提高规划效率。但是在闭链奇异点穿越方法中，由于末端坐标系位置发生了改变，在闭链奇异点附近无法确定被搬运物体在任务空间中的路径，可能导致在该区域内的规划路径与期望路径之间的误差过大，无法满足环境中的障碍物约束。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种针对闭链奇异点回避的双臂协同运动规划方法及系统，实现了对闭链系统奇异点的回避，保证了闭链系统在奇异点处关节解和被搬运物体在任务空间中解的确定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，提出了一种针对闭链奇异点回避的双臂协同运动规划方法，包括：

获取被搬运物体的起始点和终止点；

根据被搬运物体的起始点和终止点，确定闭链系统的关节路径及雅可比；

根据闭链系统的雅可比确定闭链系统关节路径的奇异区域部分；

对于奇异区域部分，确定闭链系统的主臂和从臂，基于阻尼最小二乘的雅可比伪逆法确定主臂的关节速度；根据主臂的关节速度，确定从臂的关节速度；对各臂的关节速度进行积分，获得各臂的关节角度变化值；通过各臂的关节角度变化值，替换关节路径中的奇异区域部分，获得闭链系统无奇异点的规划路径。