一种冗余机械臂轨迹控制方法技术

本发明专利技术提供了一种冗余机械臂轨迹控制方法。本发明专利技术以构形平面的冗余机械臂运动学求解方法为基础，推导出构形平面的速度分配方法，进而确定了基于构形平面间速度分配的冗余机械臂运动轨迹规划过程，对运动规划中面临的工作位形确定、空间避障、构形平面内速度分配等关键步骤进行了推导，能够满足复杂的空间避障要求，解决空间插值点之间的机械臂末端点轨迹的不确定性，能够实现良好的运动轨迹。本发明专利技术解决了冗余机械臂逆解的难题，具有计算速度快、解算精度高的优点，满足实际任务和环境对冗余机械臂的轨迹运动作业需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及的是一种冗余机械臂运动规划方法，该方法能够实现冗余机械臂运动 轨迹的可控性，减少运动误差。
技术介绍
冗余机械臂具有多余的空间运动自由度，在空间避障和运动规划方面具有很大的 优点，成为机器人研究领域的热点。国内外许多研究机构对此展开了研究，得到了很多研究 方法。许多专家在冗余机械臂的运动控制方面提出了很多方法。基于C空间的自由空间法 W机械臂的关节坐标系建立C空间，将障碍物映射到C空间，形成空间构型障碍，从而求得C 空间的补集，即自由空间。在此基础上，利用启发式捜索算法在机械臂的自由空间内寻找机 械臂的运动路径。该方法虽然能够实现机械臂无碰撞路径规划，但是由于将障碍物映射到C 空间方法较为复杂，对于复杂环境难W满足实时性的要求。为了实现空间避障，对障碍定义 一个排斥势场，目标点处定义一个吸引势场，机械臂的运动由两个势场共同作用力来决定， 由此来保证机械臂在避障的同时顺利到达最终目标点。该方法对于处理全局路径规划中的 动态避障非常有效，但容易陷入局部最小点处。 在对机器人进行运动控制时，各个关节的角加速度约束、角速度约束和角度约束 是设及的主要约束问题。在一般低速运动情况下，只要保证关节角度不超限即可，运对运动 轨迹规划影响很小。但是，当机器人运动速度较快时，关节角加速度和角速度极易超出约束 范围，导致驱动电流过大或者超出限位的事故发生。轻则机器人运动出错，重则损坏硬件。 此时，必须在机器人运动轨迹规划时综合考虑各种约束条件，最常用的方法是对运动时间 进行优化。在冗余机械臂轨迹运动方面，常规的方法是：根据预定轨迹建立机械臂运动插补 点，根据插补点求解合理的机械臂运动关节量，驱动关节运动实现预定轨迹运动。 但运种方法存在W下缺点： (1)该轨迹规划方法基础是冗余机械臂的逆运动学求解方法，因此该方法依赖冗 余机械臂的拓扑结构形式，在规划的过程中需要对算法重新调整，不具有一般性。 (2)采用目标函数的作为优化目标进行遗传方式的优化，忽略了一些局部轨迹规 划的动力学效果，会造成一段区域运动不合理，某关节承担的整体载荷不平均，满载或满速 工作，使得整个轨迹运动过程存在局部缺陷。 (3)运动轨迹在插补点间的运动不具有可控性，运动超调量和误差量都比较大。 本专利技术采用构形平面的速度分配和位形确定的方法，解决冗余机械臂中运动连 续、空间避障、空间多约束和插补点间的运动不可控的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在W提供一种适用于具有多种运动约束、空间避障、运动连续控制等 多种要求运动轨迹控制的冗余机械臂轨迹控制方法。 本专利技术的目的是运样实现的： 步骤1:运动规划初始，输入机械臂运动轨迹方程，输入机械臂的结构参数，建立 机械臂运动学模型，同时输入空间障碍物得到外形尺寸和空间位置； 步骤2 空间机械臂运动轨迹方程为约束，建立多个路标式的空间插补点，建立 具有躲避空间障碍物的机械臂运动规划路径； 步骤3 :建立第一个轨迹插补点的运动速度方向和大小，利用构形平面的速度分 配方法，求解出组成冗余机械臂的各构形平面的速度，进而应用构形平面内的速度分解，求 解各关节的运动速度，将运些运动速度输入到机械臂关节驱动器驱动关节运动； 步骤4 :在运动At时间后，对该时刻的机械臂末端点的位置和姿态进行检测，计 算与预定的运动轨迹点进行误差比较，驱动机械臂关节运动消除位置和姿态点误差；步骤5:对机械臂的运动轨迹点进行判断，是否到达下一个插补点，若未到插补 点，继续机械臂末端的运动速度方向和大小，计算各关节运动速度，驱动机械臂运动，若到 达插补点，判断是否到达最后一个轨迹插补点，若未到达，重复前面的运动过程，若到达则 结束运动轨迹过程。 本专利技术适用于具有多种运动约束、空间避障、运动连续控制等多种要求运动轨迹 控制。 运动规划初始，根据具体任务需要输入机械臂运动轨迹方程，输入机械臂的结构 参数，建立机械臂运动学模型，同时输入空间障碍物得到外形尺寸和空间位置；W空间机 械臂运动轨迹方程为约束，建立多个路标式的空间插补点，建立具有躲避空间障碍物的机 械臂运动规划路径；建立第一个轨迹插补点的运动速度方向和大小，利用构形平面的速度 分配方法，求解出组成冗余机械臂的各构形平面的速度，进而应用构形平面内的速度分解， 求解各关节的运动速度，将运些运动速度输入到机械臂关节驱动器驱动关节运动；在运动 At时间后，对该时刻的机械臂末端点的位置和姿态进行检测，计算与预定的运动轨迹点进 行误差比较，驱动机械臂关节运动消除位置和姿态点误差；对机械臂的运动轨迹点进行判 断，是否到达下一个插补点，若未到插补点，继续机械臂末端的运动速度方向和大小，计算 各关节运动速度，驱动机械臂运动，若到达插补点，判断是否到达最后一个轨迹插补点，若 未到达，重复前面的运动过程，若到达则结束运动轨迹过程。[001引本专利技术解决了冗余机械臂逆解的难题，具有计算速度快、解算精度高的优点，满足 实际任务和环境对冗余机械臂的轨迹运动作业需要。 本专利技术与现有技术相比，具有W下突出实质性的优点和有益效果： (1)总结串联形式的机器人结构特点，运用构形平面的基本模型，在此基础上推导 了构形平面速度分配方法，为后面的冗余机械臂规划工作奠定基础。 (2)对于空间运动的多种约束要求，通过机械臂的构形平面方法能够使快速确定 合理的机械臂位形，该方法简单明了，同遗传算法、迭代算法等数值方法相比具有计算量较 小，且具有通用性，适用于大多数形式的冗余机械臂。 (3)针对运动规划中插补点间运动不连续和可控性差问题，提出构形平面的速度 分配方法。该方法利用短时间内机械臂末端线速度的平滑特点，保证运动的连续性，同时对 于构形平面内某些关节接近障碍物或者空间其他的约束条件，分配构形平面的速度，避免 空间干设，增加冗余机械臂在插补点间的可控性。【附图说明】 图1运动规划过程示意图。 图2构形平面速度迭代示意图。 图3冗余机械臂空间避障示意图。 图4构形平面与障碍物的干设检查示意图。 图5插补点间的速度规划过程。 图6冗余机械臂运动模型图。 图7轨迹运动简图。【具体实施方式】 面结合附图对本专利技术做更详细的描述。 结合图1，本专利技术的方法包括如下几个步骤： 步骤1 :运动规划初始，根据具体任务需要输入机械臂运动轨迹方程，输入机械臂 的结构参数，建立机械臂运动学模型，同时输入空间障碍物得到外形尺寸和空间位置；[003引步骤2 空间机械臂运动轨迹方程为约束，建立多个路标式的空间插补点，建立 具有躲避空间障碍物的机械臂运动规划路径； 步骤3:建立第一个轨迹插补点的运动速度方向和大小，利用构形平面的速度分 配方法，求解出组成冗余机械臂的各构形平面的速度，进而应用构形平面内的速度分解，求 解各关节的运动速度，将运些运动速度输入到机械臂关节驱动器驱动关节运动； 步骤4:在运动At时间后，对该时刻的机械臂末端点的位置和姿态进行检测，计 算与预定的运动轨迹点进行误差比较，驱动机械臂关节运动消除位置和姿态点误差； 步骤5:对机械臂的运动轨迹点进行判断，是否到达下一个插补点，若未到插补 点，继续机械臂末端的运动速度方向和大小，计算各关节运动速度，驱动机械臂运动，若到 达插补点，判断是否到达最后一个轨迹插补点，若未到达，重复前面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冗余机械臂轨迹控制方法，其特征是包括如下步骤：步骤1：运动规划初始，输入机械臂运动轨迹方程，输入机械臂的结构参数，建立机械臂运动学模型，同时输入空间障碍物得到外形尺寸和空间位置；步骤2：以空间机械臂运动轨迹方程为约束，建立多个路标式的空间插补点，建立具有躲避空间障碍物的机械臂运动规划路径；步骤3：建立第一个轨迹插补点的运动速度方向和大小，利用构形平面的速度分配方法，求解出组成冗余机械臂的各构形平面的速度，进而应用构形平面内的速度分解，求解各关节的运动速度，将这些运动速度输入到机械臂关节驱动器驱动关节运动；步骤4：在运动Δt时间后，对该时刻的机械臂末端点的位置和姿态进行检测，计算与预定的运动轨迹点进行误差比较，驱动机械臂关节运动消除位置和姿态点误差；步骤5：对机械臂的运动轨迹点进行判断，是否到达下一个插补点，若未到插补点，继续机械臂末端的运动速度方向和大小，计算各关节运动速度，驱动机械臂运动，若到达插补点，判断是否到达最后一个轨迹插补点，若未到达，重复前面的运动过程，若到达则结束运动轨迹过程。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏延辉，杨子扬，于媛媛，韩寒，周星合，高苇杭，刘合伟，贾献强，胡佳兴，王泽鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23