一种冗余度机械臂容错型运动规划方法技术

本发明专利技术提供了一种冗余度机械臂容错型运动规划方法，包括如下步骤：1）确定发生故障出现锁死的关节，建立基于二次规划的容错型冗余度解析方案，所述解析方案设计的最小性能指标为速度向量、重复运动或动能，受约束于速度的雅可比矩阵等式、关节速度极限和关节角极限，该关节速度极限是随关节角度变化的；2）将步骤1）的基于二次规划的容错型冗余度解析方案运用数值方法进行求解；3）将步骤2）的求解结果传递给下位机控制器，驱动机械臂完成给定的末端任务。本发明专利技术特点在于，只需要知道出现故障锁死的关节编号和锁定角度，就可进行自动容错处理，完成给定末端任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冗余度机械臂运动规划及控制领域，具体涉及一种冗余度机械臂的容 错型运动规划方法。
技术介绍
冗余度机械臂是一种自由度大于任务空间所需最少自由度的末端能动机械装置， 其运动任务包括焊接、油漆、组装、挖掘和绘图等，广泛应用于装备制造、产品加工、机器作 业等国民经济生产活动中。冗余度机械臂的逆运动学问题是指已知机械臂末端位姿，确定 机械臂的关节角问题。当冗余度机械臂的某一关节因故障锁死时(相当于减少了机械臂 的自由度)，就一般规划方案而言，该机械臂末端就无法根据预定的解析方案完成指定的任 务；而容错型冗余度解析方案，就是对出现问题的关节进行容错处理(编号、记录锁定角度 和进行加i型二次规划)，使得机械臂能够完成指定末端轨迹任务。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种计算量小、用于冗余度机械臂发生关节故 障时候的容错型运动规划方法。为解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案予以实现 1、包括如下步骤1)确定发生故障出现锁死的关节，即，由人为或者自动检测出，发任何指令都不运动 的关节，建立基于二次规划的容错型冗余度解析方案，所述解析方案设计的最小性能指标 为速度向量、重复运动或动能，受约束于速度的雅可比矩阵等式、关节速度极限和关节角极 限，该关节速度极限是随关节角度变化的；2)将步骤1)的基于二次规划的容错型冗余度解析方案运用数值方法进行求解；3)将步骤2)的求解结果传递给下位机控制器，驱动机械臂完成给定的末端任务。2、冗余度机械臂容错型运动规划方法，其参数^!表示机械臂关节的状态故障矩阵 (用于在方案解析过程中固定故障关节)，根据发生故障出现锁死的关节编号，调整状态故 障矩阵2中的相应元素为1 (而J中该行其余元素均为0)。3、冗余度机械臂容错型运动规划方法中，设计其性能指标为最小化= f ,Αθ = 0^θ~ <θ<θ" <&<e ,其中占表示关节速度向 量， Τ和P为合适维数的矩阵和向量，上标y表示矩阵和向量的转置，J表示机械臂的雅可 比矩阵，5表示关节角向量，r表示机械臂末端执行器速度向量，&~<&<e、r分别表示关节角极限范围和关节速度极限范围，炉表示关节角上下限，炉表示关节速度上下限。4、上述容错型运动规划方法转化为一个标准二次规划；S卩，最小化权利要求1.，其特征在于包括如下步骤1)确定发生故障出现锁死的关节，建立基于二次规划的容错型冗余度解析方案，所述 解析方案设计的最小性能指标为速度向量、重复运动或动能，受约束于速度的雅可比矩阵 等式、关节速度极限和关节角极限，该关节速度极限是随关节角度变化的；2)将步骤1)的基于二次规划的容错型冗余度解析方案运用数值方法进行求解；3)将步骤2)的求解结果传递给下位机控制器，驱动机械臂完成给定的末端任务。2.根据权利要求1所述的冗余度机械臂容错型运动规划方法，其特征 在于所述步骤1)中基于二次规划的容错型冗余度解析方案设计为最小化 炉W御'2+pT&Jff^f , M^O ^ θ~ <θ<θ" ^ θ~ <θ<θ" ￥θ/2 + ρτθ 为欲优化的运动性能指标，5表示关节速度向量，『和r力合适维数的矩阵和向量，上标1■表 示矩阵和向量的转置，等式约束= r对应机械臂末端运动轨迹，J表示机械臂的雅可比 矩阵，5表示关节角向量，^表示机械臂末端执行器速度向量，分别 表示关节角范围和关节速度范围，炉表示关节角上下限，炉表示关节速度上下限，^表示 机械臂关节的状态故障矩阵，用于在解析方案中确定故障关节。3.根据权利要求2所述的冗余度机械臂容错型运动规划方法，其特征在于所述状态 故障矩阵J，根据发生故障出现锁死的关节编号，调整状态故障矩阵3中的相应元素为1， 而2中该行其余元素均为0。4.根据权利要求2所述的冗余度机械臂容错型运动规划方法，其特征在于所述步骤 1)的基于二次规划的容错型冗余度解析方案中，所述容错型运动规划方法转化为一个标准二次规划最小化fWx/2+ JtrX ,受约束于( = rf , f H f+ ,其中;c 二力，σ = [ Ji"，,d, =, =,正的常数 用来调节和保证关节速度的足够大的可行域。5.根据权利要求4所述的冗余度机械臂容错型运动规划方法，其特征在于所述标准二次规划等价于一个线性投影方程^ ￠^-Mu)-u = 0 ,其中Pn O为空间到集合 0 =恤丨『^么+)[及—+1的分段线性投影算子，^ = 2为笛卡尔空间的维数，《 = 6为关节空间的维数，u表示原对偶变量，“-表示原对偶变量下极限 表示原对偶变量上极限， 原对偶变量&及其上下限定义如下Γ 1 + Γ,u =|如」 ΙΛ(其中是对应于等式约束& = 3的对偶决策向量，‘:=a... lf是元素都为1的相应维数向量；■ >> 0是足够大的常数，用于数值上替代无穷大4 ，而增广矩阵K定义 如下u =,U6.根据权利要求5所述的线性投影方程，其特征在于设计其计算误差为全文摘要本专利技术提供了，包括如下步骤1)确定发生故障出现锁死的关节，建立基于二次规划的容错型冗余度解析方案，所述解析方案设计的最小性能指标为速度向量、重复运动或动能，受约束于速度的雅可比矩阵等式、关节速度极限和关节角极限，该关节速度极限是随关节角度变化的；2)将步骤1)的基于二次规划的容错型冗余度解析方案运用数值方法进行求解；3)将步骤2)的求解结果传递给下位机控制器，驱动机械臂完成给定的末端任务。本专利技术特点在于，只需要知道出现故障锁死的关节编号和锁定角度，就可进行自动容错处理，完成给定末端任务。文档编号B25J13/00GK102126219SQ201010553189公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日专利技术者张智军, 张雨浓, 李克讷 申请人:中山大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种冗余度机械臂容错型运动规划方法，其特征在于包括如下步骤：１）确定发生故障出现锁死的关节，建立基于二次规划的容错型冗余度解析方案，所述解析方案设计的最小性能指标为速度向量、重复运动或动能，受约束于速度的雅可比矩阵等式、关节速度极限和关节角极限，该关节速度极限是随关节角度变化的；２）将步骤１）的基于二次规划的容错型冗余度解析方案运用数值方法进行求解；３）将步骤２）的求解结果传递给下位机控制器，驱动机械臂完成给定的末端任务。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张雨浓，李克讷，张智军，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81