仿人机械臂的运动求解和构型控制方法技术

本发明专利技术公开了一种仿人机械臂的运动求解和构型控制方法。本发明专利技术提出的运动求解方法利用该类机械臂的结构特点，在对应的人类手臂上求出机械臂的整体运动，然后映射回机械臂的关节空间进行执行。本发明专利技术提出的运动求解方法不依赖于仿人机械臂的实际关节布置，对于具有不同关节布置的、但是大臂和小臂的臂长相同的仿人机械臂，能产生一致的运动；同时保留了运动优化能力；从对任务的处理方式上模仿人类，能更好地产生类人的动作。本发明专利技术基于运动求解方法中的理论，提出了一种构型控制方法，能控制仿人机械臂的完整构型，并且保证了仿人机械臂从运动规划到运动控制的一致性。

Motion solution and configuration control method of humanoid robot arm

The invention discloses a motion solving and configuration control method for a humanoid robot arm. The motion solving method proposed by this invention makes use of the structure characteristics of this kind of manipulator to find the whole motion of the manipulator on the corresponding human arm, and then map back to the joint space of the manipulator to carry out the execution. The motion solving method proposed in this invention is not dependent on the actual joint arrangement of a humanoid manipulator, and can produce uniform motion for the same arm length of the arms with different joints, but with the same arm length of the large arm and the small arm, while preserving the motion optimization ability; it can be better to imitate human from the way of handling the task. The action of real estate. Based on the theory of motion solution, a configuration control method is proposed, which can control the complete configuration of a humanoid manipulator and ensure the consistency of the humanoid manipulator from motion planning to motion control.

【技术实现步骤摘要】
仿人机械臂的运动求解和构型控制方法
本专利技术属于机器人领域，具体涉及一种仿人机械臂的运动求解和构型控制方法。
技术介绍
仿人机械臂是一类特殊的机械臂，它是模仿人类手臂的结构进行设计的，具有S-R-S(球副-旋转副-球副)的结构，通常由7个旋转关节组成，如图1和图2所示。图中，S表示肩关节中心，对应肩关节处三个机械关节轴线的交点；E表示肘关节中心；W表示腕关节中心，对应腕关节处三个机械关节轴线的交点；zi(i＝1,…,7)表示7个机械臂关节的轴线方向；l1和l2分别为大臂和小臂的臂长；{S}和{W}分别为肩关节和腕关节坐标系，其原点分别位于肩关节和腕关节中心。其中，前3个关节的轴线相交于一点，构成一个球副，是机械臂的肩关节；第4个关节作为机械臂的肘关节；最后3个关节的轴线也相交于一点，同样构成一个球副，是机械臂的腕关节。S-R-S的结构可以有不同的实施方式，即机械臂的关节布置可以不同。然而，由于模仿的都是人类手臂，具有不同关节布置的、但是大臂和小臂臂长相同的仿人机械臂应该被看作是相同的机械臂。所以，在对仿人机械臂进行操作空间轨迹规划时，运动求解方法需要保证得到的运动对于相同的机械臂是一致的。另外，一些场景要求仿人机械臂能严格地执行规划的运动，即需要对机械臂进行构型控制，完全地跟踪规划的运动。例如，仿人机械臂在与人协作时，会在规划阶段完成避碰验证；为了确保无碰撞，机械臂需要严格按照规划的运动运行。由于仿人机械臂的特殊性，机械臂在规划和调整运动时最好能保持前后一致性，以符合人类的动作特性。所以，规划过程中用到的理论应该能应用于构型控制中。运动求解是机械臂操作空间轨迹规划中的中心问题之一，需要根据末端执行器的运动求解出对应的各关节的运动。由于仿人机械臂具有7个自由度，而操作空间内的任务需求是6个自由度，机械臂具有一个冗余自由度，因此存在无穷多组解。对于仿人机械臂而言，难点不在于求出一组可行的解来，而是在于求出能保证相同的机械臂的运动一致的解。这里的一致是指末端执行器的运动是相同的，同时机械臂臂形的变化也是相同的。目前，对机械臂的运动求解方法有很多种，这些方法均是通用的方法，可以应用到仿人机械臂上。一种方法是广义逆方法，即建立机械臂的雅克比矩阵，利用雅克比矩阵的广义逆来求解机械臂的关节运动，如参考文献[1]：CHANTF,DUBEYRV.Aweightedleast-normsolutionbasedschemeforavoidingjointlimitsforredundantjointmanipulators[J].IEEEtransactionsonRoboticsandAutomation,1995,11(2):286–292。这种方法能保证末端执行器按照任务需求运动。但是，雅克比矩阵是与机械臂的实际关节布置紧密相关的，对于不同关节布置的仿人机械臂，它们的雅克比矩阵各不相同。因此，仿人机械臂会产生不同的臂形变化曲线，即无法满足运动的一致性。另一种方法是引入额外的参数，消除机械臂的冗余性，如参考文献[2]：TONDUB.Aclosed-forminversekinematicmodellingofa7Ranthropomorphicupperlimbbasedonajointparametrization[C]Proceedingsofthe6thIEEE-RASInternationalConferenceonHumanoidRobots,2006,5:390–397中采用了大臂伸展角和臂形角两种参数化方式。由于机械臂被完全限制住，这种方法能保证运动的一致性。但是，这种方法需要根据引入的参数定义额外的任务需求，因而增加了运动规划的工作量。另外，它也使得机械臂丧失了运动优化的能力。运动规划完成后，机械臂的运动实际上已经完全确定了。一些场景要求仿人机械臂能严格地执行规划的运动，即需要对机械臂进行构型控制，完全地跟踪规划的运动。关节空间能完整描述机械臂的运动，因此构型控制可以在关节空间中进行。这种构型控制方法是根据关节的误差来控制机械臂的运动的。因为关节误差与实际需要的操作空间的任务需求没有直接的关系，所以末端执行器的运动跟踪性能无法得到有效的保障。另外，由于运动求解不能在关节空间中进行，因此无法保证运动规划和控制的前后一致性。另一种方法是引入额外参数以描述机械臂的完整运动，通过末端执行器的位姿参数和额外参数与关节空间的严格数学关系来设计控制器，实现构型控制，如参考文献[3]：SERAJIH.Configurationcontrolofredundantmanipulators:Theoryandimplementation[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1989,5(4):472–490。这种方法没有考虑仿人机械臂的结构特点；另外，如上所述，它所对应的运动求解方法具有增加运动规划工作量和使机械臂丧失优化能力等缺点。
技术实现思路
针对现有方法中存在的问题，本专利技术提出一种仿人机械臂的运动求解和构型控制方法。本专利技术提出的运动求解方法不是从机械臂的运动学模型出发，而是利用机械臂的结构特点，将操作空间中的运动需求与机械臂所对应人类手臂的生理关节关联起来，在对应的人类手臂上完成运动的求解，然后映射回机械臂的关节空间中。因此，本专利技术提出的运动求解方法对于不同关节布置的仿人机械臂能产生一致的运动。另外，本专利技术提出的运动求解方法保留了机械臂的运动优化能力。本专利技术进而将运动求解方法中的理论应用于仿人机械臂的构型控制中，能完全跟踪机械臂的运动，同时保持了运动规划和控制的前后一致性。一种仿人机械臂的运动求解方法，包括以下步骤：步骤一：将操作空间中的任务需求与机械臂的生理关节进行关联。人类在控制末端工具的运动时，注意力聚焦在工具坐标系上，一般希望能直接影响到工具坐标系的位置和姿态。因此，在肩关节处建立虚拟关节Δ-P，Δ-As和Δ-L，构成一个球型机器人，以控制工具坐标系的位置。其中，Δ-P和Δ-As为转动副，Δ-L为移动副。同时，由于工具坐标系和腕关节坐标系的相对位姿是固定的，所以对工具坐标系的速度要求VT可以转换到对腕关节坐标系的速度要求VW上。这样，轨迹规划的任务需求与机械臂的生理关节关联起来了。步骤二：对腕关节的线速度进行分解，确定肩关节和肘关节的运动。保留步骤一中的肩关节处虚拟关节Δ-P和Δ-As的影响。Δ-P和Δ-As贡献了腕关节线速度vW的一部分，剩余的部分vW,rem由大臂和小臂实现。将剩余线速度vW,rem沿肩-腕连线SW进行分解，其中，垂直分量由肩关节处的虚拟关节Δ-M实现；平行分量有肩关节和肘关节处的虚拟关节Δ-S和Δ-E共同实现。此时，仿人机械臂的肩关节和肘关节的角速度确定了。肩关节的角速度ωshoulder来源于：Δ-P，Δ-As，Δ-M和Δ-S；肘关节的角速度ωelbow来源于：Δ-E。步骤三：确定腕关节的运动。步骤一到步骤二确定了肩关节和肘关节的运动，实现了腕关节坐标系的线速度需求。腕关节坐标系的角速度需求ωW由肩、肘和腕关节共同决定。因此，排除肩关节和肘关节运动的影响，可求得腕关节的运动，即有ωWrist＝ωW-ωshoulder-ωel本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.仿人机械臂的运动求解方法，包括以下几个步骤：步骤一：将操作空间中的任务需求与机械臂的生理关节进行关联；在肩关节处建立虚拟关节Δ‑P，Δ‑As和Δ‑L，构成一个球型机器人，以控制工具坐标系的位置，其中，Δ‑P和Δ‑As为转动副，Δ‑L为移动副，对工具坐标系的速度要求VT能够转换到对腕关节坐标系的速度要求VW上，则操作空间中的任务需求与机械臂的生理关节进行关联；步骤二：对腕关节的线速度进行分解，确定肩关节和肘关节的运动；腕关节线速度vW的一部分由Δ‑P和Δ‑As实现，剩余部分vW,rem由大臂和小臂实现，将剩余线速度vW,rem沿肩‑腕连线SW进行分解，其中，垂直分量

【技术特征摘要】
1.仿人机械臂的运动求解方法，包括以下几个步骤：步骤一：将操作空间中的任务需求与机械臂的生理关节进行关联；在肩关节处建立虚拟关节Δ-P，Δ-As和Δ-L，构成一个球型机器人，以控制工具坐标系的位置，其中，Δ-P和Δ-As为转动副，Δ-L为移动副，对工具坐标系的速度要求VT能够转换到对腕关节坐标系的速度要求VW上，则操作空间中的任务需求与机械臂的生理关节进行关联；步骤二：对腕关节的线速度进行分解，确定肩关节和肘关节的运动；腕关节线速度vW的一部分由Δ-P和Δ-As实现，剩余部分vW,rem由大臂和小臂实现，将剩余线速度vW,rem沿肩-腕连线SW进行分解，其中，垂直分量由肩关节处的虚拟关节Δ-M实现，平行分量由肩关节和肘关节处的虚拟关节Δ-S和Δ-E共同实现；步骤三：确定腕关节的运动；腕关节坐标系的角速度需求ωW由肩、肘和腕三个生理关节共同决定；因此，排除肩关节和肘关节运动的影响，得到腕关节的运动；ωWrist＝ωW-ωshoulder-ωelbow式中：ωshoulder、ωelbow和ωWrist分别表示肩、肘和腕三个生理关节的角速度；步骤四：根据具体的关节布置，将生成的运动映射回机械臂的关节空间上；根据机械臂的具体关节布置，将该运动映射回机械臂的关节空间上，机械臂执行所需的规划任务。2.根据权利要求1所述的仿人机械臂的运动求解方法，所述的步骤一中，具体为：虚拟关节Δ-P的旋转方向wP由末端工具的当前位置pT和线速度vT确定，wP垂直于肩-工具连线ST和vT所确定的平面；虚拟关节Δ-L的平移方向vT沿着肩-工具连线ST，vT垂直于wP；虚拟关节Δ-As的旋转方向wA,S与vT和wP保持正交关系。3.据权利要求1所述的仿人机械臂的运动求解方法，所述的步骤二中，具体为：确定仿人机械臂的肩关节和肘关节的角速度，肩关节的角速度ωshoulder来源于：Δ-P，Δ-As，Δ-M和Δ-S；肘关节的角速度ωelbow来源于：Δ-E；虚拟关节Δ-M的旋转方向wM由腕关节的当前位置pW和剩余线速度的垂直分量确定，wM垂直于肩-腕连线SW和所确定的平面；虚拟关节Δ-L的平移方向vT沿着肩-工具连线SW，vT垂直于wP；虚拟关节Δ-S和Δ-E的旋转方向均垂直于大臂和小臂确定的平面，即与仿人机械臂的第4...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，徐鸿程，王业聪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11