一种面向双臂机械手同步重复运动规划的终态网络优化方法技术

一种面向双臂机械手同步重复运动规划的终态网络优化方法，包括以下步骤：1)确定双臂机械手左右两个末端执行器期望目标轨迹r

A Final-state Network Optimization Method for Synchronized Repetitive Motion Planning of Double-arm Manipulators

A final-state network optimization method for synchronous repetitive motion planning of dual-arm manipulators is presented, which includes the following steps: 1) Determining the desired target trajectory r of the left and right end-effectors of dual-arm manipulators

【技术实现步骤摘要】
一种面向双臂机械手同步重复运动规划的终态网络优化方法
本专利技术涉及双臂多连杆机械手的同步重复运动规划及控制技术，具体地，涉及一种有限时间收敛性能指标、在机械手左右双臂各运动关节角初始位置偏移期望轨迹情形下的机械手逆运动学求解方法。
技术介绍
机器人技术被广泛应用在各个领域，于生产、研究中发挥着巨大的作用。而机器人的操作手，即多连杆机械臂，可将末端执行器移动到空间的指定位置并完成相应的轨迹任务。根据自由度(Degrees-of-Freedom,DOF)的多少，机械臂可划分为冗余机械臂和非冗余机械臂。冗余机械臂拥有的自由度多于完成给定末端任务所需的DOF。较之非冗余机械臂，冗余机械臂更灵活且更具优势。双臂机械手由于其固有的优点成为了机器人领域中一个新的研究热点。相比于单臂的机械手，双臂机械手近似人的双臂，具有强大的协调能力，能够在复杂的工作任务和多变的工作环境中具有独特的优势。这也是其在实际工程应用中日益凸显出重要性的原因之一。双臂机械手被广泛用于有限工作空间内的重复单调工作。通过已知末端执行器的位置和姿态，求解其对应的冗余机械臂各个关节角的可行路径，这是一个基本的逆运动学求解问题。但当冗余机器臂具有更多的自由度时，逆运动学问题往往存在多个解甚至无穷组解。为解决这类问题，通常应用伪逆方法来获得关节角位置的通解。考虑在m维空间中作业的具有n个自由度的左右双臂机械手，其末端轨迹与关节位移之间的映射关系(即正运动学问题)rL(t)＝fL(θL(t))rR(t)＝fR(θR(t))其中，rL(t)和rR(t)分别表示机械臂左右臂末端执行器在工作空间中笛卡尔坐标系下的位移，θL(t)和θR(t)分别表示左右机械臂关节位移。末端笛卡尔空间与关节空间之间的微分运动关系为其中，和是rL(t)和rR(t)的时间导数，和分别是关节速度向量，和是机械臂左右双臂分别对应的雅克比矩阵。末端执行器在笛卡尔操作空间做重复运动时，闭合的末端执行器运动轨迹可能没有产生闭合的关节角轨迹，导致关节角偏差现象。这种非重复运动问题所带来的偏差可能会引起机械臂在重复作业中出现不可预料的情况。应用最为广泛的伪逆公式由于计算过程的复杂性、求解过程中的奇异点和机械手物理关节角极限等问题，通常无法应用于求解周期性的重复运动，使得双臂机械手的运动轨迹难以预测。在大多数情况下，基于二次型优化的运动解析方案通常可以克服伪逆控制法的缺点，实现重复运动。最近，具有有限时间收敛性能的递归网络被用求解时变问题。相比于具有渐近收敛动态特性的递归神经网络，具有有限时间收敛特性的终态网络模型，不仅能够改进收敛速度，而且达到较高收敛精度。
技术实现思路
为了使双臂机械手各关节角在初始位置偏移期望位置时，在有限的时间内实现机械臂的重复运动，本专利技术提供一种精度较高、有限时间收敛、易于实现的基于终态吸引优化指标的双臂机械手同步重复运动轨迹规划方法，以具有有限值激活函数的终态网络作为求解器，在左右臂的各关节角初始位置偏移情形时，双臂机械手各运动关节角完成轨迹任务后，最终仍然可以回到初始期望位置。为了解决上述技术问题本专利技术提供如下的技术方案：一种面向双臂机械手同步重复运动规划的终态网络优化方法，包括以下步骤：1)确定双臂机械手左右两个末端执行器期望目标轨迹r*L(t)和r*R(t)，双臂机械手各关节角期望回拢的角度θ*L(0)和θ*R(0)；2)设计终态吸引优化指标，形成双臂机械手同步重复运动规划方案，其中双臂机械手实际运动时的初始关节角可以任意指定，不要求末端执行器处于期望轨迹上；给定双臂机械手实际运动时的左右两臂的初始关节角度θL(0)和θR(0),分别以θL(0)和θR(0)为左右两个机械臂运动起始点，形成重复运动规划方案：其中，Θ＝[θL；θR]。θL表示左边机械臂的关节角度，θR表示右边机械臂的关节角度，表示双臂机械手的各运动关节角速度，Θ*(0)为机械手左右两臂各关节角的期望初始值，βΘ＞0，0＜δ＜1是一设计参数，用来形成关节位移的动态性能。Θ(t)-Θ*(0)表示双臂机械手各关节角初始位置与初始期望位置之间的位移偏差，表示机械手左右末端执行器期望的运动轨迹，表示左右末端执行器期望的速度向量。由于机械手的左右初始位置可能不在期望的轨迹上，分别通过减小左右臂末端执行器期望位置与实际运动轨迹位置间的误差(Υ-f(Θ))，改变末端执行器的运动方向，βΥ＞0表示位置的参数增益，用来调节左右双臂的末端执行器运动时的速率，J(Θ)是双臂机械手的雅可比矩阵，f(Θ)是双臂机械手的实际运动轨迹；3)构建有限值激活函数的终态网络模型，其动态特性由下述方程描述其中，关节角位移偏差E(t)＝Θ(t)-Θ(0)，此动态方程所表达的系统有限时间收敛于零，0＜δ＜1,βE＞0；在运动规划方案(1)达到最小值时，双臂机械手的各个关节角可以回拢到期望的目标轨迹上；为求解步骤2)中的二次规划，建立拉格朗日函数：式中，λ(t)为拉格朗日乘子向量，λT是λ(t)向量的转置；通过拉格朗日函数对各个变量求导，并令其为零，得下述时变矩阵方程WY＝v(3)其中，I为单位矩阵记E＝WY-v，以式(2)所描述的有限值终态网络求解时变矩阵方程(3)，得到系统的求解方程如下4)将步骤3)中求解得到的结果用于控制各关节电机，驱动双臂机械手执行任务。本专利技术的有益效果主要表现在：本专利技术提供一种具有有限时间收敛特性的终态网络模型，基于该终态网络，形成了一种有限时间内收敛的同步重复运动规划方案，使双臂机械手不用考虑初始左右各关节角的位置，在完成给定的轨迹后各个关节角仍然可以回到期望的初始位置，实现重复运动规划任务。该方案相对于已有的运动规划方法来说，具有有限时间收敛的特点，其所对应的终态网络求解方法不仅加快了动态网络的收敛速度，而且提高了网络的收敛精度。这种网络的求解借助的激活函数为有限值激活函数，这为求解相关的时变问题提供了计算工具，而且在实际应用时更易于实现。附图说明图1为本专利技术提供的同步重复规划方案的流程图。图2为采用本专利技术重复规划方案的双臂机械手。图3为双臂机械手左右两个末端执行器的运动轨迹。图4为以终态网络和递归神经网络求解时的误差轨迹。图5为以终态网络求解时x,y,z轴上的误差轨迹。图6为以终态网络求解时双臂机械手左右各关节角的运动轨迹。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。参照图1～图6，一种面向双臂机械手同步重复运动规划的终态网络优化方法，由以下4个步骤组成：1、分别确定双臂机械手左右末端执行器期望目标轨迹和期望回拢各关节角度2、建立具有有限时间收敛特性的双臂机械手同步重复运动二次规划方案3、以有限值终态网络求解二次规划问题，获得左右各运动关节角轨迹。4、将求解得到的结果驱动电机运行，使机械臂完成轨迹任务。第一步、确定期望轨迹设定双臂机械手期望回拢的各关节角度。将目标路径设定左边为半径0.1m的圆形轨迹，右边为半径0.05m的圆形轨迹，确定左右圆的期望轨迹方程分别为其中，机械臂末端完成圆形轨迹的时间T＝10s。设定双臂机械手期望回拢的左右关节角度由于双臂机械手各关节角的初始位置可能不在期望的运动轨迹上，将该双臂机械手的五个关节角度初值分别设为θR＝[0；π/4；π/4；π/4+0.1；π/4]θL＝[0；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向双臂机械手同步重复运动规划的终态网络优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)确定双臂机械手左右两个末端执行器期望目标轨迹r

【技术特征摘要】
1.一种面向双臂机械手同步重复运动规划的终态网络优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)确定双臂机械手左右两个末端执行器期望目标轨迹r*L(t)和r*R(t)，双臂机械手各关节角期望回拢的角度θ*L(0)和θ*R(0)；2)设计终态吸引优化指标，形成双臂机械手同步重复运动规划方案，其中双臂机械手实际运动时的初始关节角可以任意指定，不要求末端执行器处于期望轨迹上；给定双臂机械手实际运动时的左右两臂的初始关节角度θL(0)和θR(0),分别以θL(0)和θR(0)为左右两个机械臂运动起始点，形成重复运动规划方案：其中，Θ＝[θL；θR]。θL表示左边机械臂的关节角度，θR表示右边机械臂的关节角度，表示双臂机械手的各运动关节角速度，Θ*(0)为机械手左右两臂各关节角的期望初始值，βΘ＞0，0＜δ＜1是一设计参数，用来形成关节位移的动态性能，Θ(t)-Θ*(0)表示双臂机械手各关节角初始位置与初始期望位置之间的位移偏差，表示机械手左右末端执行器期望的运动轨迹，表示左右末端执行器期望的速度向量，由于机...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔颖，唐青青，周俊文，陆凯杭，叶绿，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33