冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法和装置制造方法及图纸

一种冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法包括：设定冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标，以及与所述运动性能指标相应的约束关系；将所述运动性能指标以及相应的约束关系转化为二次规划问题；通过二次规划求解器对所述二次规划问题进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果控制机械臂运动。本方法可以有效地躲避冗余度机械臂的各种物理约束，有效地扩大了冗余度机械臂的可操作度优化运动规划的应用空间。

【技术实现步骤摘要】
冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法和装置
本专利技术属于智能控制领域，尤其涉及冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法和装置。
技术介绍
冗余度机械臂具有自由度大于任务空间所需最少自由度的特性，广泛应用于装备制造、产品加工、机器作业等国民经济生产活动中，为人们的生活和工作带来了便利。冗余度机械臂的逆运动学问题是指已知机械臂末端位姿，确定机械臂的关节角问题。当冗余度机械臂末端执行任务时，如何使得机械臂的可操作性最大化，以最大限度地躲避奇异，这种问题叫做机械臂可操作度优化问题。当冗余度机械臂可操作度为0时，将导致雅可比矩阵因不满秩而奇异。当可操作度接近0时，机械臂在特定方向的运动将显著受限，使得即使机械臂速度很大也难以完成任务。故在冗余度机械臂的运动规划中，在执行任务的同时都尽量使得可操作度最大化。然而，基于伪逆的可操作度的优化方法，一般难以嵌入机械臂的各种物理约束，限制了冗余度机械臂的可操作度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法，以解决现有技术如果采用基于伪逆的可操作度的优化方法，一般难以嵌入机械臂的各种物理约束，限制了冗余度机械臂的可操作度的问题。第一方面，本专利技术实施例提供了一种冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法，所述方法包括：设定冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标，以及与所述运动性能指标相应的约束关系；将所述运动性能指标以及相应的约束关系转化为二次规划问题；通过二次规划求解器对所述二次规划问题进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果控制机械臂运动。结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，所述设定冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标，以及与所述运动性能指标相应的约束关系步骤具体为：所述冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标为可操作度导数最大化，最小化所述与运动性能指标相应的约束关系包括：雅可比等式矩阵求逆等式障碍物躲避不等式关节角极限θ-≤θ≤θ+、关节速度极限其中θ∈Rk与分别表示机械臂关节角度与关节角速度，k表示机械臂的关节角度空间维度；f(θ)∈Rm表示机械臂前向运动学函数，m表示机械臂末端执行器工作空间维度；rd与分别表示末端执行器期望路径以及期望速度；k0表示位置误差反馈系数；α表示矩阵JJT逆的向量化的值；表示机械臂的雅可比矩阵；表示机械臂可操作度，μi≥0表示矩阵JJT的第i个最大特征值；Im表示一个m*m维的单位矩阵；上标T表示矩阵和向量的转置；vec(.)表示对一个矩阵的向量化操作，即将目标矩阵所有列依次排为一列；对于i＝1,2,...,k，表示克罗内克积运算；定义为：θ+、θ-表示关节角上下限，表示关节速度上下限；A和b是障碍物躲避参数。结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述将所述运动性能指标以及相应的约束关系转化为二次规划问题步骤包括：将两个等式约束的范数嵌入进性能指标中，移除与决策变量无关的参数加入运动学能量消耗指标，得到性能指标为：最小化，约束关系包括：其中，c0>0，c1>0，c2>0与c3>0为性能指标中对应项的权重；ζ+和ζ-分别表示合成双端约束的上下极限，它们的第i个元素分别定义为和其中为裕度，i表示关节序号，i＝1,2,...,k，ka>0为用来调节和保证关节速度的可行域的常数。结合第一方面的第二种可能实现方式，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述二次规划求解器为：其中，所述二次规划求解器的初始值为：τ>0表示采样间隔；下标j与j+1分别为对应项的第jτ时刻与第(j+1)τ的值；h>0表示算法迭代步长；PΩ表示由双端约束与不等式约束构成的投影映射。结合第一方面，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述根据所述求解结果控制机械臂运动步骤具体为：将所述二次规划问题的求解结果转化为各个关节电机所需要的控制信号，驱动各个关节电机使机械臂运动。第二方面，本专利技术实施例提供了一种冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划装置，所述装置包括：指标设定单元，用于设定冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标，以及与所述运动性能指标相应的约束关系；转化单元，用于将所述运动性能指标以及相应的约束关系转化为二次规划问题；求解单元，用于通过二次规划求解器对所述二次规划问题进行求解，得到求解结果；控制单元，用于根据所述求解结果控制机械臂运动。结合第二方面，在第二方面的第一种可能实现方式中，所述指标设定单元具体用于：所述冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标为可操作度导数最大化，最小化所述与运动性能指标相应的约束关系包括：雅可比等式矩阵求逆等式障碍物躲避不等式关节角极限θ-≤θ≤θ+、关节速度极限其中θ∈Rk与分别表示机械臂关节角度与关节角速度，k表示机械臂的关节角度空间维度；f(θ)∈Rm表示机械臂前向运动学函数，m表示机械臂末端执行器工作空间维度；rd与分别表示末端执行器期望路径以及期望速度；k0表示位置误差反馈系数；α表示矩阵JJT逆的向量化的值；表示机械臂的雅可比矩阵；表示机械臂可操作度，μi≥0表示矩阵JJT的第i个最大特征值；Im表示一个m*m维的单位矩阵；上标T表示矩阵和向量的转置；vec(.)表示对一个矩阵的向量化操作，即将目标矩阵所有列依次排为一列；对于i＝1,2,...,k，表示克罗内克积运算；定义为θ+、θ-表示关节角上下限，表示关节速度上下限；A和b是障碍物躲避参数。结合第二方面的第一种可能实现方式，在第二方面的第二种可能实现方式中，所述转化单元具体用于：将两个等式约束的范数嵌入进性能指标中，移除与决策变量无关的参数加入运动学能量消耗指标，得到性能指标为：最小化，约束关系包括：其中，c0>0，c1>0，c2>0与c3>0为性能指标中对应项的权重；ζ+和ζ-分别表示合成双端约束的上下极限，它们的第i个元素分别定义为和其中为裕度，i表示关节序号，i＝1,2,...,k，ka>0为用来调节和保证关节速度的可行域的常数。结合第二方面的第二种可能实现方式，在第二方面的第三种可能实现方式中，所述二次规划求解器为：其中，所述二次规划求解器的初始值为：τ>0表示采样间隔；下标j与j+1分别为对应项的第jτ时刻与第(j+1)τ的值；h>0表示算法迭代步长；PΩ表示由双端约束与不等式约束构成的投影映射。结合第二方面，在第二方面的第四种可能实现方式中，所述控制单元具体用于：将所述二次规划问题的求解结果转化为各个关节电机所需要的控制信号，驱动各个关节电机使机械臂运动。在本专利技术中，将冗余度机械臂的可操作度导数最大化的运动性能指标以及对应的约束关系，转化为二次规划问题，采用二次规划求解器对所述二次规划问题进行求解，根据求解结果控制机械臂运动，本方法可以有效地躲避冗余度机械臂的各种物理约束，有效地扩大了冗余度机械臂的可操作度优化运动规划的应用空间。附图说明图1是本专利技术实施例提供的冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法的实现流程图；图2是本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法，其特征在于，所述方法包括：设定冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标，以及与所述运动性能指标相应的约束关系；将所述运动性能指标以及相应的约束关系转化为二次规划问题；通过二次规划求解器对所述二次规划问题进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果控制机械臂运动。

【技术特征摘要】
1.一种冗余度机械臂的可操作度优化的运动规划方法，其特征在于，所述方法包括：设定冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标，以及与所述运动性能指标相应的约束关系；将所述运动性能指标以及相应的约束关系转化为二次规划问题；通过二次规划求解器对所述二次规划问题进行求解，得到求解结果；根据所述求解结果控制机械臂运动。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述设定冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标，以及与所述运动性能指标相应的约束关系步骤具体为：所述冗余度机械臂的可操作度导数最大化的优化运动性能指标为可操作度导数最大化，最小化所述与运动性能指标相应的约束关系包括：雅可比等式矩阵求逆等式障碍物躲避不等式关节角极限θ-≤θ≤θ+、关节速度极限其中θ∈Rk与分别表示机械臂关节角度与关节角速度，k表示机械臂的关节角度空间维度；f(θ)∈Rm表示机械臂前向运动学函数，m表示机械臂末端执行器工作空间维度；rd与分别表示末端执行器期望路径以及期望速度；k0表示位置误差反馈系数；α表示矩阵JJT逆的向量化的值；表示机械臂的雅可比矩阵；表示机械臂可操作度，μi≥0表示矩阵JJT的第i个最大特征值；Im表示一个m*m维的单位矩阵；上标T表示矩阵和向量的转置；vec(.)表示对一个矩阵的向量化操作，即将目标矩阵所有列依次排为一列；对于i＝1,2,...,k，表示克罗内克积运算；定义为：θ+、θ-表示关节角上下限，表示关节速度上下限；A和b是障碍物躲避参数。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，将所述运动性能指标以及相应的约束关系转化为二次规划问题步骤包括：将两个等式约束的范数嵌入进性能指标中，移除与决策变量无关的参数加入运动学能量消耗指标，得到性能指标为：最小化，约束关系包括：其中，c0>0，c1>0，c2>0与c3>0为性能指标中对应项的权重；ζ+和ζ-分别表示合成双端约束的上下极限，它们的第i个元素分别定义为和其中为裕度，i表示关节序号，i＝1,2,...,k，ka>0为用来调节和保证关节速度的可行域的常数。4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述二次规划求解器为：其中，所述二次规划求解器的初始值为：τ>0表示采样间隔；下标j与j+1分别为对应项的第jτ时刻与第(j+1)τ的值；h>0表示算法迭代步长；PΩ表示由双端约束与不等式约束构成的投影映射。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据所述求解结果控制机械臂运动步骤具体为：将所述二次规划问题的求解结果转化为各个关节电机所需...

【专利技术属性】
技术研发人员：金龙，李帅，秦延山，
申请(专利权)人：香港理工大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44