用于优化多关节机构的逆解运动路径的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及工程机械领域，公开了一种用于优化多关节机构的逆解运动路径的方法和装置，该方法包括：根据至少两个预设机构姿态优化目标的优先级优化所述逆解运动路径，其中，高优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果以低优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果为基础

【技术实现步骤摘要】
用于优化多关节机构的逆解运动路径的方法和装置


[0001]本专利技术涉及工程机械领域，具体地，涉及一种用于优化多关节机构的逆解运动路径的方法和装置
。

技术介绍

[0002]冗余自由度臂架的运动学反解，是进行控制的重要步骤之一，因为冗余自由度臂架不满足
pieper
准则，所以其运动学反解没有封闭解，只能采用数值解法
。
目前，常采用的解法是在速度层面，基于末端速度与关节速度的线性方程组进行求解，其通解形式为其中是速度最小范数解，是齐次通解部分
。J
+
＝
J
T
(JJ
T
)
‑1是
J
矩阵的广义逆，
I
是单位矩阵，
φ
是雅可比矩阵
J
的零空间任意向量
。
通过选择恰当的
φ
，利用冗余机械臂的“自运动”特性，在臂架末端速度不发生变化的情况下，就可以对臂架的运动路径进行优化
。
[0003]现有技术中公开了对冗余自由度机器人的运动优化方法，其中，仿人机器人构型简图如图1所示，采用梯度投影法对冗余自由度机构的逆运动学进行优化，优化目标为防关节超限和可操作度，采用了加权的方法综合两个优化目标；根据关节速度
、
关节加速度的极限值，对放大系数的范围进行了计算
。
当前针对冗余自由度串联机构的逆解优化，多采用梯度投影法，其中对于多目标的优化策略，多采用加权的方法综合多个优化目标，但是不同的加权系数对优化效果的影响千差万别
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种用于优化多关节机构的逆解运动路径的方法和装置，其可解决或至少部分解决上述的问题
。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的一个方面提供一种用于优化多关节机构的逆解运动路径的方法，该方法包括：根据至少两个预设机构姿态优化目标的优先级优化所述逆解运动路径，其中，高优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果以低优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果为基础
。
[0006]可选地，优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度，该方法还包括：针对任一所述预设机构姿态优化目标，当采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，根据该所述预设机构姿态优化目标对应的预设放大系数确定规则确定放大系数
。
[0007]可选地，所述至少两个预设机构姿态优化目标包括末结构姿态优化和关节防超限优化，其中，所述关节防超限优化不针对对应的关节为反关节的结构进行优化
。
[0008]可选地，在所述多关节结构包括反关节的情况下，所述至少两个预设机构姿态优化目标还包括反关节优化
。
[0009]可选地，当优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度且采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，所述关节防超限优化对应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：
Δ
3,j
q
j
＝
|q
j
‑
q
jlimit
|
，
q
jlimit
＝
α
·
sgn(H
3,j
)
·
((q
jmid
‑
q
jmin
)+q
jmid
)
，
q
jmid
＝
(q
jmin
+q
jmax
)/2
，其中，
k
3,j
表示所述多关节机构中的结构
j
进行所述关节防超限优化对应的所述放大系数，
H
3,j
表示所述结构
j
对应的关节防超限优化函数，表示所述结构
j
对应的关节防超限优化函数的梯度，表示所述多关节机构中结构的关节速度的优化向量，表示所述结构
j
的所述关节速度的优化量，
δ
t
表示优化时间，
I
表示单位矩阵，
3,j
J
表示对所述结构
j
进行所述关节防超限优化时对应的雅可比矩阵，
3,j
J
+
表示对所述结构
j
进行所述关节防超限优化时对应的雅可比矩阵
3,j
J
的伪逆矩阵，
q
j
表示所述结构
j
的关节角度，所述多关节机构共有
n
个所述结构，
α
为第一预设值，
q
jmin
表示所述结构
j
的关节角度最小值，
q
jmax
表示所述结构
j
的关节角度最大值
。
[0010]可选地，所述结构
j
对应的所述关节防超限优化函数根据以下公式进行计算：
β
j
＝
(q
jmin
+q
jmax
)/2。
[0011]可选地，当优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度且采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，所述末结构姿态优化对应的所述预设放大系数确定规则包括：所述末结构姿态优化对应的所述放大系数为预设放大系数
。
[0012]可选地，当优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度且采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，所述反关节优化对应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：包括以下公式：
Δ
q
i
＝
q
i
‑
q
it
，其中，
k
2,i
表示所述多关节机构中的结构
i
对应的反关节进行所述反关节优化对应的所述放大系数，表示所述多关节机构中结构的关节速度的优化向量，表示所述结构
i
的所述关节速度的优化量，
δ
t
表示优化时间，
I
表示单位矩阵，
J
表示雅可比矩阵，
J
+
表示雅可比矩阵
J
的伪逆矩阵，
H
2,i
表示所述结构
i
对应的反关节优化函数，表示所述结构
i
对应的反关节优化函数的梯度，
q
i
表示所述结构
i
的关节角度，所述多关节机构共有
n
个所述结构，
q
it
表示表示所述结构
i
的目标关节角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于优化多关节机构的逆解运动路径的方法，其特征在于，该方法包括：根据至少两个预设机构姿态优化目标的优先级优化所述逆解运动路径，其中，高优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果以低优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果为基础
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度，该方法还包括：针对任一所述预设机构姿态优化目标，当采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，根据该所述预设机构姿态优化目标对应的预设放大系数确定规则确定放大系数
。3.
根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少两个预设机构姿态优化目标包括末结构姿态优化和关节防超限优化，其中，所述关节防超限优化不针对对应的关节为反关节的结构进行优化
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述多关节结构包括反关节的情况下，所述至少两个预设机构姿态优化目标还包括反关节优化
。5.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度且采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，所述关节防超限优化对应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：化对应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：化对应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：
Δ
3,j
q
j
＝
|q
j
‑
q
jlimit
|q
jlimit
＝
α
·
sgn(H
3,j
)
·
((q
jmid
‑
q
jmin
)+q
jmid
)q
jmid
＝
(q
jmin
+q
jmax
)/2
其中，
k
3,j
表示所述多关节机构中的结构
j
进行所述关节防超限优化对应的所述放大系数，
H
3,j
表示所述结构
j
对应的关节防超限优化函数，表示所述结构
j
对应的关节防超限优化函数的梯度，表示所述多关节机构中结构的关节速度的优化向量，表示所述结构
j
的所述关节速度的优化量，
δ
t
表示优化时间，
I
表示单位矩阵，
3,j
J
表示对所述结构
j
进行所述关节防超限优化时对应的雅可比矩阵，
3,j
J
+
表示对所述结构
j
进行所述关节防超限优化时对应的雅可比矩阵
3,j
J
的伪逆矩阵，
q
j
表示所述结构
j
的关节角度，所述多关节机构共有
n
个所述结构，
α
为第一预设值，
q
jmin
表示所述结构
j
的关节角度最小值，
q
jmax
表示所述结构
j
的关节角度最大值
。6.
根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述结构
j
对应的所述关节防超限优化函数根据以下公式进行计算：
β
j
＝
(q
jmin
+q
jmax
)/2。7.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度且采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，所述末结构姿态优化对应的所述预设放大系数确定规则包括：所述末结构姿态优化对应的所述放大系数为预设放大系数
。8.
根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度且采用梯度投影法优化所述逆解运动路径时，所述反关节优化对应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：应的所述预设放大系数确定规则包括以下公式：
Δ
q
i
＝
q
i
‑
q
it
其中，
k
2,i
表示所述多关节机构中的结构
i
对应的反关节进行所述反关节优化对应的所述放大系数，表示所述多关节机构中结构的关节速度的优化向量，表示所述结构
i
的所述关节速度的优化量，
δ
t
表示优化时间，
I
表示单位矩阵，
J
表示雅可比矩阵，
J
+
表示雅可比矩阵
J
的伪逆矩阵，
H
2,i
表示所述结构
i
对应的反关节优化函数，表示所述结构
i
对应的反关节优化函数的梯度，
q
i
表示所述结构
i
的关节角度，所述多关节机构共有
n
个所述结构，
q
it
表示表示所述结构
i
的目标关节角度
。9.
根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述结构
i
对应的所述反关节优化函数根据以下公式进行计算：
q
it
＝
(k
i
x
‑
β
i
)
·
π
/180b
＝
max(|q
it
‑
q
imin
|,|q
it
‑
q
imax
|)
其中，
k
i
表示所述结构
i
对应的第二预设值，
β
i
表示所述结构
i
对应的第三预设值，
x
表示所述多关节机构的末端的坐标的
x
轴分量，
q
imin
表示所述结构
i
的关节角度最小值，
q
imax
表示所述结构
i
的关节角度最大值
。10.
一种用于优化多关节机构的逆解运动路径的装置，其特征在于，该装置包括：优化模块，用于根据至少两个预设机构姿态优化目标的优先级优化所述逆解运动路径，其中，高优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果以低优先级的所述预设机构姿态优化目标对应的所述逆解运动路径的优化结果为基础
。11.
根据权利要求
10
所述的装置，其特征在于，优化所述逆解运动路径为优化所述多关节机构中结构的关节角度，该装置还包括：放大系数确定模块，用于针对任一所述预设机构姿态优化目...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮皓杰，付玲，刘延斌，于晓颖，曾杨，
申请(专利权)人：中联重科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：