一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法及装置，通过定义传送带上动态物体抓取的优化问题和机械臂轨迹表示方法，进行预抓取轨迹末端约束的转化、机械臂关节运动学约束的转化、机械臂碰撞约束的转化，再对转化后的总目标函数求梯度，采用优化求解器进行求解，并将轨迹输入控制器控制机械臂抓取物体。本发明专利技术能够针对实时输入的传送带上的物体位置和速度，在有限时间内规划出一条抓取传送带上匀速运动物体的轨迹，该轨迹具有轨迹时长和平滑性均衡的局部最优性质，能够使机械臂快速接近动态物体并准确抓取，并且符合关节运动学限制的约束以及避障约束，本发明专利技术具有领先的成功率，能够在较高的传送带运动速度下进行快速准确的抓取。下进行快速准确的抓取。下进行快速准确的抓取。

【技术实现步骤摘要】
一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法及装置


[0001]本专利技术属于机器人运动规划领域，具体涉及一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法及装置。

技术介绍

[0002]传送带能够短途输送大量物品，有效节省搬运的人力。采用机械臂进行传送带上物体的自动化抓取放置，在工业、仓储与物流分拣等领域都有很高的需求。然而，大部分应用于传送带场景的机械臂抓取技术只能在传送带停止或以极低速运行时进行物体抓取，且未能考虑机械臂轨迹的时间最优，这极大阻碍了生产和运输的效率。
[0003]传统的机械臂抓取方法仅针对固定目标进行运动规划，无法满足动态物体抓取时间与空间约束的问题，即在一定时间到达动态物体当前所在的正确位置进行抓取。针对这一问题，文献“Provably constant
‑
time planning and replanning for real
‑
time grasping objects off a conveyor belt”(F.Islam et al.,The International Journal of Robotics Research,2021，40(12
‑
14),1370
‑
1384)提出了生成固定时间的机械臂轨迹的方法，且轨迹符合机械臂运动学限制，从而能够完成传送带上运动物体的抓取。然而，目前的方法没有考虑轨迹的时间最优性，无法在更高的传送带运动速度下实现快速准确的抓取。动态物体的快速抓取对机械臂轨迹规划提出了很高的技术要求，既要考虑轨迹时间最优，又需要满足机械臂关节约束以及避开障碍，同时还必须满足在特定时间到达特定位置从而抓取运动物体的轨迹末端条件。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术的不足，实现机械臂安全快速地抓取传送带上运动物体的目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0005]一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：定义传送带上动态物体的抓取和机械臂轨迹表示；将采用机械臂进行传送带上匀速运动物体的抓取定义为预抓取轨迹和抓取轨迹，预抓取轨迹为从机械臂初始位姿到预抓取位姿的轨迹，抓取轨迹为从预抓取位姿到抓取位姿的轨迹；
[0007]步骤2：进行预抓取轨迹末端约束的转化；将预抓取轨迹末端位姿约束转化为添加末端位姿目标函数，基于笛卡尔空间下末端轨迹关键点的约束，逆运动学运算后获取预抓取轨迹末端速度约束；
[0008]步骤3：进行机械臂关节运动学约束和碰撞约束的转化；基于各关节的预抓取轨迹和机械臂对应的关节最大最小位姿，转化预抓取轨迹的机械臂关节位姿约束；基于各关节的轨迹速度和机械臂对应的关节最大速度，转化预抓取轨迹的机械臂关节速度约束；基于各关节的轨迹加速度和机械臂对应的关节最大加速度，转化预抓取轨迹的机械臂关节加速度约束；基于预抓取轨迹和抓取目标物体上表面高度，转化避障约束；
[0009]步骤4：基于转化后的约束，构建轨迹的总目标函数并求梯度，得到总目标函数关
于轨迹关键点和轨迹时长向量的梯度，采用优化求解器对梯度进行求解，并将得到的轨迹输入控制器，控制机械臂抓取目标物体。
[0010]进一步地，所述步骤1包括如下具体步骤：
[0011]首先，定义预抓取轨迹的表示方法和规划求解问题，预抓取轨迹定义为从机械臂初始位姿到预抓取位姿的轨迹，预抓取位姿定义为机械臂的末端执行器抓取姿态沿接近向量负方向运动一段后退距离h的预抓取姿态的逆运动学；对于一个m自由度的串联机械臂，预抓取轨迹表示为ξ(t)，是时间t到机械臂关节空间的映射，具有轨迹总时长T，是一个具有轨迹分段数M的分段函数，其第i段轨迹ξ
i
(t)的定义方法如下：
[0012][0013]其中β(t)＝(1,t,...,t
2s
‑1)
T
是该段轨迹曲线的基，是第i段轨迹的系数矩阵，s为轨迹的可指定导数值阶数，t
i
‑1和t
i
为该段轨迹的最小和最大时间限制，该第i段轨迹具有时长T
i
＝t
i
‑
t
i
‑1；对于M段的预抓取轨迹，所有轨迹时长构成了轨迹时长向量T＝(T1,...,T
M
)
T
，所有段轨迹的系数矩阵构成了轨迹系数矩阵
[0014]预抓取轨迹规划的问题定义为解决如下优化问题：
[0015][0016]s.t.T＞0
[0017]ξ(0)＝q0[0018][0019]x
(1)
(ξ(T))＝v
c
+v
⊥
[0020]ξ
(2)
(T)＝0
[0021][0022][0023][0024][0025]其中，q＝(q1,...,q
M
)为轨迹关键点，其内包含轨迹时长向量T中一一对应的机械臂位姿，为初始目标函数，ρ为时间优化权重，为机械臂初始位姿，为正运动学映射，由关节空间映射到笛卡尔空间是传送带运动速度是初始抓取姿态，即在初始时间t＝0时的抓取姿态，为抓取姿态接近向量，为单位化的抓取姿态接近向量，是无碰撞的关节空间；q
max
,q
min
分别是机械臂的最大与最小关节位置，v
max
,a
max
分别为关节速度限制与关节加速度限制，ξ
(1)
(t),ξ
(2)
(t),ξ
(3)
(t)分别为轨迹速度、轨迹加速度和轨迹加加速度；
[0026]然后，定义抓取轨迹和其生成方法；抓取轨迹为从预抓取位姿到抓取位姿的轨迹，生成方法为：
[0027]给定机械臂当前的位姿q
j
，下一时刻的机械臂速度为：
[0028][0029]其中，J
+
为机械臂雅可比矩阵的伪逆；在此过程中，机械臂夹爪逐渐闭合，直到机械臂到达抓取位姿，抓取动作阶段结束。
[0030]进一步地，所述步骤2具体分为两个阶段：
[0031]轨迹末端位姿约束转化为添加末端位姿目标函数定义如下：
[0032][0033]其中，ξ(T)表示时间t为轨迹总时长T时的预抓取轨迹函数值，q
M
为当前迭代下的预抓
[0034]取位姿，∈是一个小值，μ为一个可定义的参数，函数φ
μ
[
·
]定义为：
[0035][0036]其中，q
M
由以下方式求解：
[0037][0038]预抓取轨迹的末端速度约束转化为：
[0039]ξ
(1)
(T)＝J
+
(q
M
)(v
c
+v
⊥
)。
[0040]进一步地，所述步骤3中，预抓取轨迹的机械臂关节位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：定义传送带上动态物体的抓取和机械臂轨迹表示；将采用机械臂进行传送带上匀速运动物体的抓取定义为预抓取轨迹和抓取轨迹，预抓取轨迹为从机械臂初始位姿到预抓取位姿的轨迹，抓取轨迹为从预抓取位姿到抓取位姿的轨迹；步骤2：进行预抓取轨迹末端约束的转化；将预抓取轨迹末端位姿约束转化为添加末端位姿目标函数，基于笛卡尔空间下末端轨迹关键点的约束，逆运动学运算后获取预抓取轨迹末端速度约束；步骤3：进行机械臂关节运动学约束和碰撞约束的转化；基于各关节的预抓取轨迹和机械臂对应的关节最大最小位姿，转化预抓取轨迹的机械臂关节位姿约束；基于各关节的轨迹速度和机械臂对应的关节最大速度，转化预抓取轨迹的机械臂关节速度约束；基于各关节的轨迹加速度和机械臂对应的关节最大加速度，转化预抓取轨迹的机械臂关节加速度约束；基于预抓取轨迹和抓取目标物体上表面高度，转化避障约束；步骤4：基于转化后的约束，构建轨迹的总目标函数并求梯度，得到总目标函数关于轨迹关键点和轨迹时长向量的梯度，采用优化求解器对梯度进行求解，并将得到的轨迹输入控制器，控制机械臂抓取目标物体。2.根据权利要求1所述的一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤1包括如下具体步骤：首先，定义预抓取轨迹的表示方法和规划求解问题，预抓取轨迹定义为从机械臂初始位姿到预抓取位姿的轨迹，预抓取位姿定义为机械臂的末端执行器抓取姿态沿接近向量负方向运动一段后退距离h的预抓取姿态的逆运动学；对于一个m自由度的串联机械臂，预抓取轨迹表示为ξ(t)，是时间t到机械臂关节空间的映射，具有轨迹总时长T，是一个具有轨迹分段数M的分段函数，其第i段轨迹ξ
i
(t)的定义方法如下：其中β(t)＝(1,t,...,t
2s
‑1)
T
是该段轨迹曲线的基，是第i段轨迹的系数矩阵，s为轨迹的可指定导数值阶数，t
i
‑1和t
i
为该段轨迹的最小和最大时间限制，该第i段轨迹具有时长T
i
＝t
i
‑
t
i
‑1；对于M段的预抓取轨迹，所有轨迹时长构成了轨迹时长向量T＝(T1,...,T
M
)
T
，所有段轨迹的系数矩阵构成了轨迹系数矩阵预抓取轨迹规划的问题定义为解决如下优化问题：s.t.T＞0ξ(0)＝q0x
(1)
(ξ(T))＝v
c
+v
⊥
ξ
(2)
(T)＝0
其中，q＝(q1,...,q
M
)为轨迹关键点，其内包含轨迹时长向量T中一一对应的机械臂位姿，为初始目标函数，ρ为时间优化权重，为机械臂初始位姿，x:为正运动学映射，由关节空间映射到笛卡尔空间是传送带运动速度，是初始抓取姿态，即在初始时间t＝0时的抓取姿态，为抓取姿态接近向量，为单位化的抓取姿态接近向量，是无碰撞的关节空间；q
max
,q
min
分别是机械臂的最大与最小关节位置，v
max
,a
max
分别为关节速度限制与关节加速度限制，ξ
(1)
(t),ξ
(2)
(t),ξ
(3)
(t)分别为轨迹速度、轨迹加速度和轨迹加加速度；然后，定义抓取轨迹和其生成方法；抓取轨迹为从预抓取位姿到抓取位姿的轨迹，生成方法为：给定机械臂当前的位姿q
j
，下一时刻的机械臂速度为：其中，J
+
为机械臂雅可比矩阵的伪逆；在此过程中，机械臂夹爪逐渐闭合，直到机械臂到达抓取位姿，抓取动作阶段结束。3.根据权利要求1所述的一种抓取传送带上运动物体的机械臂轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤2具体分为两个阶段：轨迹末端位姿约束转化为添加末端位姿目标函数定义如下：其中，ξ(T)表示时间t为轨迹总时长T时的预抓取轨迹函数值，q
M
为当前迭代下的预抓取位姿，是一个小值，μ为一个可定义的参数，函数φ
μ
[
·
]定义为：其中，q
M
由以下方式求解：预抓取轨迹的末端速度约束转化为：ξ
(1)
(T)＝J
+
(q
M
)(v
c
+v
⊥
)。4.根据权利要求1所述的一种抓取...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱世强，邵珺，宋伟，廖建峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：