一种冗余自由度机械臂运动规划方法及装置制造方法及图纸

本申请实施例提供一种冗余自由度机械臂运动规划方法及装置，冗余自由度机械臂运动规划方法包括：获取与所述冗余自由度机械臂的末端执行器的期望位姿相对应的位姿数据；根据预设的约束条件对所述冗余自由度机械臂运动规划中的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题；对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果；根据所述位姿数据和所述求解结果，得到所述冗余自由度机械臂的控制方案。本申请冗余自由度机械臂运动规划方法及装置，能对冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解进行降维处理，减少计算时间，降低计算难度，从而能够更快速、更容易地得到冗余自由度机械臂的控制方案，完成运动规划，减少运动规划的总时间，提高规划效率。

A Kinematic Planning Method and Device for Redundant Degree of Freedom Manipulator

The embodiment of this application provides a motion planning method and device for a redundant degree-of-freedom manipulator. The motion planning method of the redundant degree-of-freedom manipulator includes acquiring the position and attitude data corresponding to the desired position and attitude of the end-effector of the redundant degree-of-freedom manipulator, and reducing the dimension of the seven-dimensional optimization problem in the motion planning of the redundant degree-of-freedom manipulator according to the preset constraints. The two-dimensional optimization problem is obtained; the two-dimensional optimization problem is solved and the solution result is obtained; according to the position and attitude data and the solution result, the control scheme of the redundant degree-of-freedom manipulator is obtained. The method and device for motion planning of redundant DOF manipulator can reduce the dimension of the inverse kinematics solution in the motion planning of redundant DOF manipulator, reduce the calculation time and reduce the difficulty of calculation, so that the control scheme of redundant DOF manipulator can be obtained more quickly and easily, the motion planning can be completed, the total time of motion planning can be reduced, and the planning efficiency can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种冗余自由度机械臂运动规划方法及装置
本申请涉及智能控制
，具体而言，涉及一种冗余自由度机械臂运动规划方法及装置。
技术介绍
冗余自由度机械臂，即具有七个连杆的机械臂，其具有七个自由度，相比六个连杆的机械臂，额外的连杆允许机械臂躲避某些特定的目标，便于末端执行器到达特定的位置，可以更加灵活的适应某些特殊工作环境。运动规划(MotionPlanning)就是在给定的位置A与位置B之间为机器人找到一条符合约束条件的路径，这个约束可以是无碰撞、路径最短、机械功最小等。目前，冗余自由度机械臂的运动规划大多通过Moveit运动规划框架进行，Moveit运动规划框架主要采用牛顿法和序列二次规划法来计算冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解，然而，采用牛顿法和序列二次规划法来计算冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解往往计算时间较长，且计算难度较高，从而导致冗余自由度机械臂运动规划的总时间较长、规划效率较低。
技术实现思路
本申请实施例的目的在于提供一种冗余自由度机械臂运动规划方法及装置，能对冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解进行降维处理，减少计算时间，降低计算难度，从而能够更快速、更容易地得到冗余自由度机械臂的控制方案，完成运动规划，减少运动规划的总时间，提高规划效率。第一方面，本申请实施例提供了一种冗余自由度机械臂运动规划方法，包括：获取与所述冗余自由度机械臂的末端执行器的期望位姿相对应的位姿数据；根据预设的约束条件对所述冗余自由度机械臂运动规划中的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题；对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果；根据所述位姿数据和所述求解结果，得到所述冗余自由度机械臂的控制方案。在上述实现过程中，通过预设的约束条件对冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题；再对二维优化问题进行求解，得到求解结果；根据获取的与冗余自由度机械臂的末端执行器的期望位姿相对应的位姿数据和前述求解结果，得到冗余自由度机械臂的控制方案，二维优化问题的求解时间较短，求解难度较低，减少了冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的计算时间，降低了冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的计算难度，从而在冗余自由度机械臂的运动规划时能够更快速、更容易地得到冗余自由度机械臂的控制方案，完成运动规划，减少运动规划的总时间，提高规划效率。进一步地，所述预设的约束条件包括：所述冗余自由度机械臂的七个关节分为三组，其中，第一组包括所述冗余自由度机械臂的第一关节至第四关节，第二组包括所述冗余自由度机械臂的第五关节和第六关节，第三组包括所述冗余自由度机械臂的第七关节；以及所述冗余自由度机械臂第五关节的位置以所述位姿数据和第七关节的角度确定；以及所述冗余自由度机械臂的第三关节固定；以及所述冗余自由度机械臂第四关节与第五关节的轴线和第五关节与第六关节的轴线相垂直。在上述实现过程中，冗余自由度机械臂的七个关节分为三组，第一组包括冗余自由度机械臂的第一关节至第四关节，第二组包括冗余自由度机械臂的第五关节和第六关节，第三组包括冗余自由度机械臂的第七关节；冗余自由度机械臂第五关节的位置以上述位姿数据和第七关节的角度确定；冗余自由度机械臂的第三关节固定，即第三关节是相对固定的，从而冗余自由度机械臂的第一关节、第二关节、第四关节的角度存在有限组解；若冗余自由度机械臂的第一关节至第四关节的角度确定后，冗余自由度机械臂的第五关节与第六关节的角度可根据第四关节与第五关节的轴线和第五关节与第六关节的轴线相垂直得到有限组解，前述分析是根据预设的约束条件对冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题的思路，在此约束条件下，可以理解的是，第三关节的角度及第七关节的角度为自由变量，其余关节的角度为参变量，冗余自由度机械臂的第三关节对机械臂的臂型影响较大，此约束条件不仅能较好地将冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的七维优化问题降维成二维优化问题，还能够保障在此约束条件下冗余自由度机械臂具有较高的灵活度。进一步地，在所述根据预设的约束条件对所述冗余自由度机械臂运动规划中的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题的步骤之后，所述对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果的步骤之前，所述方法还包括：建立所述冗余自由度机械臂的第五关节至第七关节的碰撞检测模型；以所述碰撞检测模型为依据，对所述冗余自由度机械臂的第五关节至第七关节进行碰撞检测。在上述实现过程中，在冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的七维优化问题降维成二维优化问题后，建立冗余自由度机械臂的第五关节至第七关节的碰撞检测模型，并以碰撞检测模型为依据，对冗余自由度机械臂的第五关节至第七关节进行碰撞检测，能减少二维优化问题求解时的计算量，从而进一步地缩短二维优化问题的求解时间，降低二维优化问题的求解难度，进而进一步地减少冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的计算时间，降低冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的计算难度，以进一步地减少运动规划的总时间，提高规划效率。进一步地，所述二维优化问题的数学规划形式为：s.t.ml14＝mr14,ml24＝mr24,ml34＝mr34其中，q3为所述冗余自由度机械臂的第三关节的角度，q7为所述冗余自由度机械臂的第七关节的角度，mr11为Mr转移矩阵中第1行第1列的元素，ml21为Ml转移矩阵中第2行第1列的元素。在上述实现过程中，二维优化问题的数学规划形式是在某种预设的约束条件下，以冗余自由度机械臂的第三关节的角度及第七关节的角度为自由变量的数学规划形式，冗余自由度机械臂的第三关节对机械臂的臂型影响较大，在此二维优化问题的数学规划形式下，冗余自由度机械臂能具有较高的灵活度。进一步地，所述对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果的步骤包括：通过全局优化方法和/或局部优化方法，对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果。在上述实现过程中，在冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的七维优化问题降维成二维优化问题后，二维优化问题的求解难度较二维优化问题的求解难度要低得多，二维优化问题的求解可通过全局优化方法和/或局部优化方法多种求解方式进行求解。第二方面，本申请实施例提供了一种冗余自由度机械臂运动规划装置，包括：获取单元，用于获取与所述冗余自由度机械臂的末端执行器的期望位姿相对应的位姿数据；处理单元，用于根据预设的约束条件对所述冗余自由度机械臂运动规划中的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题；求解单元，用于对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果；生成单元，用于根据所述位姿数据和所述求解结果，得到所述冗余自由度机械臂的控制方案。在上述实现过程中，通过预设的约束条件对冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题；再对二维优化问题进行求解，得到求解结果；根据获取的与冗余自由度机械臂的末端执行器的期望位姿相对应的位姿数据和前述求解结果，得到冗余自由度机械臂的控制方案，二维优化问题的求解时间较短，求解难度较低，减少了冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的计算时间，降低了冗余自由度机械臂运动规划中的运动学逆解的计算难度，从而在冗余自由度机械臂的运动规划时能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冗余自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，包括：获取与所述冗余自由度机械臂的末端执行器的期望位姿相对应的位姿数据；根据预设的约束条件对所述冗余自由度机械臂运动规划中的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题；对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果；根据所述位姿数据和所述求解结果，得到所述冗余自由度机械臂的控制方案。

【技术特征摘要】
1.一种冗余自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，包括：获取与所述冗余自由度机械臂的末端执行器的期望位姿相对应的位姿数据；根据预设的约束条件对所述冗余自由度机械臂运动规划中的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题；对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果；根据所述位姿数据和所述求解结果，得到所述冗余自由度机械臂的控制方案。2.根据权利要求1所述的冗余自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，所述预设的约束条件包括：所述冗余自由度机械臂的七个关节分为三组，其中，第一组包括所述冗余自由度机械臂的第一关节至第四关节，第二组包括所述冗余自由度机械臂的第五关节和第六关节，第三组包括所述冗余自由度机械臂的第七关节；以及所述冗余自由度机械臂第五关节的位置以所述位姿数据和第七关节的角度确定；以及所述冗余自由度机械臂的第三关节固定；以及所述冗余自由度机械臂第四关节与第五关节的轴线和第五关节与第六关节的轴线相垂直。3.根据权利要求1所述的冗余自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，在所述根据预设的约束条件对所述冗余自由度机械臂运动规划中的七维优化问题进行降维处理，得到二维优化问题的步骤之后，所述对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果的步骤之前，所述方法还包括：建立所述冗余自由度机械臂的第五关节至第七关节的碰撞检测模型；以所述碰撞检测模型为依据，对所述冗余自由度机械臂的第五关节至第七关节进行碰撞检测。4.根据权利要求1所述的冗余自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，所述二维优化问题的数学规划形式为：s.t.ml14＝mr14,ml24＝mr24,ml34＝mr34其中，q3为所述冗余自由度机械臂的第三关节的角度，q7为所述冗余自由度机械臂的第七关节的角度，mr11为Mr转移矩阵中第1行第1列的元素，ml21为Ml转移矩阵中第2行第1列的元素。5.根据权利要求1所述的冗余自由度机械臂运动规划方法，其特征在于，所述对所述二维优化问题进行求解，得到求解结果的步骤包括：通过全局优化方法和/或局部优...

【专利技术属性】
技术研发人员：董帅，邹昆，李文生，
申请(专利权)人：电子科技大学中山学院，
类型：发明
国别省市：广东,44