基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开的基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法及系统，包括：获取机械臂关节中每个插值点的关节角度；根据各插值点的关节角度和多项式插值轨迹模型，获得关节运行轨迹；其中，以所有插值时间之和最小为目标，通过改进的白鲨优化算法确定多项式插值轨迹模型中的每段插值时间。通过改进的白鲨优化算法对插值时间进行优化，最终获得关节运行轨迹，机械臂关节按照该关节运行轨迹进行运动时，运动时间最短。动时间最短。动时间最短。

【技术实现步骤摘要】
基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法及系统


[0001]本专利技术涉及机械臂轨迹规划
，尤其涉及基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]在外肢体机器人的控制中，轨迹规划是一项重要的基础研究。通过设置路径时间信息，可以规划机械臂在各个路径点之间的运动学参数，进而提高机械臂的运动精度和稳定性。采用多项式插值轨迹规划时，随着插值次数的增加，计算量急剧增加，可能会导致“龙格现象”，从而使机械臂轨迹规划拟合的曲线不收敛、出现震荡，拟合性变差，插值效果不理想。对机械臂轨迹进行优化，能有效解决机械臂效率低、能耗高、冲击大等问题。由于外肢体机械臂轨迹优化问题的高度耦合性和非线性特性，目前许多轨迹优化方法很难获得其最优解或次优解。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决上述问题，提出了基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法及系统，通过改进的白鲨优化算法对多项式插值轨迹模型中的时间进行优化，获得关节运行轨迹，机械臂关节按照该运行轨迹进行运动时，运动时间最短。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]第一方面，提出了基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法，包括：
[0007]获取机械臂关节中每个插值点的关节角度；
[0008]根据各插值点的关节角度和多项式插值轨迹模型，获得关节运行轨迹；
[0009]其中，以所有插值时间之和最小为目标，通过改进的白鲨优化算法确定多项式插值轨迹模型中的每段插值时间。
[0010]第二方面，提出了基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划系统，包括：
[0011]关节角度获取模块，用于获取机械臂关节中每个插值点的关节角度；
[0012]最优关节角度确定模块，用于根据各插值点的关节角度和多项式插值轨迹模型，获得关节运行轨迹；其中，以所有插值时间之和最小为目标，通过改进的白鲨优化算法确定多项式插值轨迹模型中的每段插值时间。
[0013]第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法所述的步骤。
[0014]第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法所述的步骤。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0016]1、本专利技术通过改进的白鲨优化算法对多项式插值轨迹模型中的时间进行优化，获得关节运行轨迹，机械臂关节按照该运行轨迹进行运动时，运动时间最短，能够更快速、平稳地从初始点运动到目标点，从而有效缩短机械臂的运行时间。
[0017]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0018]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0019]图1为实施例1公开方法的流程图；
[0020]图2为实施例1公开的3
‑5‑
3分段多项式原理图；
[0021]图3为实施例1公开的改进的白鲨优化算法流程图；
[0022]图4为实施例1公开的机械臂三维空间末端轨迹；
[0023]图5为实施例1公开的机械臂末端运动曲线；
[0024]图6为实施例1公开的各关节运动曲线。
具体实施方式
[0025]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0026]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0027]实施例1
[0028]在该实施例中，公开了基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法，如图1所示，包括：
[0029]S1：获取机械臂关节中每个插值点的关节角度。
[0030]本实施例设定机械臂关节有四个插值点，四个插值点包括初始点、目标点及初始点与目标点之间的两个过程点。
[0031]对各插值点位置进行逆运动学求解，获得每个插值点的关节角度。
[0032]S2：根据各插值点的关节角度和多项式插值轨迹模型，获得关节运行轨迹；其中，以所有插值时间之和最小为目标，通过改进的白鲨优化算法确定多项式插值轨迹模型中的每段插值时间。
[0033]优选的，采用3
‑5‑
3分段多项式插值法构建多项式插值轨迹模型。
[0034]本实施例采用3
‑5‑
3分段多项式算法在机械臂每个关节的4个插值点之间构建运动轨迹，获得多项式插值轨迹模型。
[0035]如图2所示，第一段(0
‑
t1)，采用三次插值多项式进行机械臂的轨迹规划；第二段(t1‑
t2)，采用五次插值多项式进行机械臂的轨迹规划，第三段(t2‑
t3)，采用三次插值多项式进行机械臂的轨迹规划。
[0036]多项式插值轨迹模型的表达式如下：
[0037]第一段的三次插值多项式为：
[0038][0039]第二段的五次插值多项式为：
[0040][0041]第三段的三次插值多项式为：
[0042][0043]其中，θ为关节角度，为关节角速度，为关节角加速度，t为时间，a
j
为多项式系数。
[0044]关节的四个插值点的关节角度分别为X
j1
、X
j2
、X
j3
、X
j4
，机械臂在插值点上的运动轨迹是连续的。其系数矩阵为：
[0045][0046]多项式系数组成的矩阵为：
[0047]a＝[a
j13 a
j12 a
j11 a
j10 a
j25 a
j24 a
j23 a
j22 a
j21 a
j20 a
j33 a
j32 a
j31 a
j30
]T
ꢀꢀ
(1
‑
5)
[0048]关节角度的表达式为：
[0049]B＝[0 0 0 0 0 0 X
j4 0 0 X
j1 0 0 X
j3 X
j2
]T
ꢀꢀꢀ
(1
‑
6)
[0050]由a＝A
‑1·
B，可以获得多项式插值轨迹模型的多项式系数，进而获得多项式插值轨迹模型的具体表达式，并最终获得关节运行轨迹。
[0051]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，包括：获取机械臂关节中每个插值点的关节角度；根据各插值点的关节角度和多项式插值轨迹模型，获得关节运行轨迹；其中，以所有插值时间之和最小为目标，通过改进的白鲨优化算法确定多项式插值轨迹模型中的每段插值时间。2.如权利要求1所述的基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，设定关节有四个插值点，四个插值点包括初始点、目标点及初始点与目标点之间的两个过程点。3.如权利要求1所述的基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，采用3
‑5‑
3分段多项式插值法构建多项式插值轨迹模型。4.如权利要求1所述的基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，在通过改进的白鲨优化算法确定插值时间时，除构建所有插值时间之和最小为目标的目标函数外，还限定外肢体机械臂的关节角度、角速度和角加速度分别满足关节角度约束、角速度约束和角加速度约束。5.如权利要求4所述的基于改进的白鲨优化算法的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，通过改进的白鲨优化算法确定插值时间的过程为：将每段插值时间作为一个鲨鱼个体，构建鲨鱼群，设定容忍度和最大停滞次数，以所有插值时间之和最小为目标构建目标函数，将目标函数作为白鲨优化算法的适应度函数，进行白鲨优化算法迭代，在每次迭代过程中，根据白鲨的当前位置确定白鲨全局最佳位置向量；当连续最大停滞次数次的白鲨全局最佳位置向量的变化量均小于容忍度时，停止迭代，获得最...

【专利技术属性】
技术研发人员：王艳红，孙如月，郑玉坤，宋锐，闫相翰，刘义祥，付天宇，田新诚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：