满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现方法技术

本发明专利技术公开了一种满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现方法，包括：获取机械臂的各个关节杆长、待指向目标点、待指向目标点轨迹序列；以腕部坐标系向外坐标轴与待指向目标点共线为主要优化目标，构建非线性优化方程组；以待指向目标点轨迹序列作为输入，使用序列最小二乘法对非线性优化方程组进行优化求解；若优化求解得到的关节变量和上一帧的关节变量的变化量超出可允许范围，则选用上一帧的关节变量赋到关节变量序列中；反之则对将优化求解得到的关节变量加入关节变量序列中，并对关节变量序列进行角度插补；将进行角度插补后的关节角度序列数据传输到机器人工控机上，以使用伺服控制的方法驱动5R机械臂指向目标点轨迹。向目标点轨迹。向目标点轨迹。

【技术实现步骤摘要】
满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现方法


[0001]本专利技术属于导览机器人机械臂动作生成
，尤其涉及满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现方法。

技术介绍

[0002]机器人的动作指向广泛应用于服务行业中，例如在景区、博物馆等场景中，机器人可以做导游为顾客提供景点讲解、带领游览、问答拍照等多重功能；在政务大厅、企业前台、交通枢纽等场景中，机器人可以作为业务咨询及办理的客服人员，为顾客提供、迎宾接待、窗口引导、产品咨询、业务办理等服务。指向动作是一种具备引导性的动作，本身能够由目标点轨迹生成动作，在离线动作间加以穿插在线指向，提高离线动作通用性、稳定性，也能为机械臂的抓取预先提供一个准备性的动作。
[0003]在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：
[0004]目前，在机器人的动作指向的实际应用中，一般需要预先定义一系列离线动作以满足机器人的使用需求，当导引环境发生变化，离线动作往往需要重新配置或重新示教。同时，离线动作的配置又需要满足环境、杆件、机器人本体的笛卡尔空间约束，需要人为进行调试生成离线动作关节轨迹。同时，机器人的指向动作往往需要指向超出机械臂操作空间的远点，此时不适用于使用逆运动学方法。

技术实现思路

[0005]本申请实施例的目的是提供一种满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现方法，以解决当导引环境发生变化后，机器人中存在离线动作需要人为调试的不足。
[0006]根据本申请实施例的第一方面，提供一种满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现方法，包括：
[0007]获取机械臂的各个关节杆长、待指向目标点、待指向目标点轨迹序列；
[0008]以世界坐标系、当前5R机械臂关节坐标系间关系以及各个关节间杆长为参数，以所述待指向目标点作为变量，以腕部坐标系向外坐标轴与待指向目标点共线为主要优化目标，将针对机器人本体的笛卡尔空间约束、针对环境的笛卡尔空间约束、各个关节的角度约束转换为非线性优化方程组的限制条件，构建非线性优化方程组；
[0009]以所述待指向目标点轨迹序列作为输入，使用序列最小二乘法对所述非线性优化方程组进行优化求解；
[0010]若优化求解得到的关节变量和上一帧的关节变量的变化量超出可允许范围，则选用上一帧的关节变量赋到关节变量序列中；若优化求解得到的关节变量和上一帧的关节变量的变化量在所述可允许范围内，则对将优化求解得到的关节变量加入关节变量序列中，并对所述关节变量序列进行角度插补；
[0011]将进行角度插补后的关节角度序列数据传输到机器人工控机上，以使用伺服控制的方法驱动5R机械臂指向目标点轨迹。
[0012]进一步地，根据5R机械臂的世界坐标系、各关节坐标系、关节间杆长建立5R机械臂的正向运动学模型，根据所述正向运动学模型得到所述世界坐标系、当前5R机械臂关节坐标系间关系。
[0013]进一步地，所述主要优化目标具体为：最小化所指向目标点与腕部坐标系原点组成的矢量与肘部杆件矢量于世界坐标系下的偏移量、所指向目标点于肘部杆件矢量方向上的投影量、所指向目标点与腕部坐标系原点组成的矢量与腕部坐标系x,y轴的内积。
[0014]进一步地，在构建非线性优化方程组前，引入关节变量与前次求解结果之间偏差的L2范数作为次优化目标。
[0015]进一步地，所构建的非线性优化方程组为：
[0016]，
[0017]其中分别为肩部的三个关节角、肘部的关节角和腕部的关节角，为对应的权重系数，为待指向目标点相对于世界坐标系原点在Z轴方向上的偏移，、同理；表示腕部坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵，表示腕部X轴在世界坐标系下的表示，表示腕部Y轴在世界坐标系下的表示，表示腕部Z轴在世
界坐标系下的表示，表示腕部坐标系相对世界坐标系的原点偏移，、、为腕部坐标系原点相对于世界坐标系原点的位置，表示待指向目标点相对于相对世界坐标系的原点偏移，、、、、、、同理；为第j个关节的第i次优化结果，为第j个关节针对待指向目标点的第i
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1次优化结果，为针对环境的笛卡尔空间约束，为针对机器人本体的笛卡尔空间约束，、分别为和对应的权重系数。
[0018]进一步地，利用修正Akima分段三次Hermite插值方法对所述关节变量序列进行角度插补。
[0019]根据本申请实施例的第二方面，提供一种满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现装置，包括：
[0020]获取模块，用于获取机械臂的各个关节杆长、待指向目标点、待指向目标点轨迹序列；
[0021]构建模块，用于以世界坐标系、当前5R机械臂关节坐标系间关系以及各个关节间杆长为参数，以所述待指向目标点作为变量，以腕部坐标系向外坐标轴与待指向目标点共线为主要优化目标，将针对机器人本体的笛卡尔空间约束、针对环境的笛卡尔空间约束、各个关节的角度约束转换为非线性优化方程组的限制条件，构建非线性优化方程组；
[0022]求解模块，用于以所述待指向目标点轨迹序列作为输入，使用序列最小二乘法对所述非线性优化方程组进行优化求解；
[0023]角度插补模块，用于若优化求解得到的关节变量和上一帧的关节变量的变化量超出可允许范围，则选用上一帧的关节变量赋到关节变量序列中；若优化求解得到的关节变量和上一帧的关节变量的变化量在所述可允许范围内，则对将优化求解得到的关节变量加入关节变量序列中，并对所述关节变量序列进行角度插补；
[0024]传输模块，用于将进行角度插补后的关节角度序列数据传输到机器人工控机上，以使用伺服控制的方法驱动5R机械臂指向目标点轨迹。
[0025]根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：
[0026]一个或多个处理器；
[0027]存储器，用于存储一个或多个程序；
[0028]当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。
[0029]根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
[0030]本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0031]由上述实施例可知，本申请采用序列最小二乘方法求解所构建的指向动作非线性方程，解决逆运动学无法针对无姿态信息点得到逆解及环境存在空间约束的问题，达到机器人能够由非线性方程的求解结果直接指向给定的无姿态指向点。实现了5R机械臂针对无姿态信息目标点轨迹的在线指向动作，解决了无姿态信息目标点的机械臂在线指向问题，
能够避开机械臂运动学奇异点同时满足三维空间约束。
[0032]应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
[0033]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种满足笛卡尔空间约束的五自由度机械臂指向动作实现方法，其特征在于，包括：获取机械臂的各个关节杆长、待指向目标点、待指向目标点轨迹序列；以世界坐标系、当前5R机械臂关节坐标系间关系以及各个关节间杆长为参数，以所述待指向目标点作为变量，以腕部坐标系向外坐标轴与待指向目标点共线为主要优化目标，将针对机器人本体的笛卡尔空间约束、针对环境的笛卡尔空间约束、各个关节的角度约束转换为非线性优化方程组的限制条件，构建非线性优化方程组；以所述待指向目标点轨迹序列作为输入，使用序列最小二乘法对所述非线性优化方程组进行优化求解；若优化求解得到的关节变量和上一帧的关节变量的变化量超出可允许范围，则选用上一帧的关节变量赋到关节变量序列中；若优化求解得到的关节变量和上一帧的关节变量的变化量在所述可允许范围内，则对将优化求解得到的关节变量加入关节变量序列中，并对所述关节变量序列进行角度插补；将进行角度插补后的关节角度序列数据传输到机器人工控机上，以使用伺服控制的方法驱动5R机械臂指向目标点轨迹。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据5R机械臂的世界坐标系、各关节坐标系、关节间杆长建立5R机械臂的正向运动学模型，根据所述正向运动学模型得到所述世界坐标系、当前5R机械臂关节坐标系间关系。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主要优化目标具体为：使待指向目标点位于腕部坐标系z轴正方向上以及最小化待指向目标点位于腕部坐标系x,y轴上的偏移量、所指向目标点与腕部坐标系原点组成的矢量与腕部坐标系x,y轴的内积、与上一次优化求解结果之间的偏差。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在构建非线性优化方程组前，引入关节变量与前次求解结果之间偏差的L2范数作为次优化目标。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所构建的非线性优化方程组为：
，其中分别为肩部的三个关节角、肘部的关节角和腕部的关节角，为对应的权重系数，为待指向目标点相对于世界坐标系原点在Z轴方向上的偏移，、同理；表示腕部坐标系相对于世界坐标系的变换矩阵，表示腕部X轴在世界坐标系下的表示，表示腕部Y轴在世界坐标系下的表示，表示腕部Z轴在世界坐标系下的表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秋兰，郑博升，宛敏红，宋伟，谢安桓，朱世强，顾建军，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：