本发明专利技术提出了一种仿人机器人机械臂避碰运动轨迹规划方法，现有技术没有从根本上解决碰撞问题，本发明专利技术采用基于关节空间插补方法生成机械臂运动轨迹所带来的机械臂与桌子碰撞的问题，主要针对仿人机器人的拟人手臂面向桌面或类似桌面物体的作业，其中机械臂的自由度分布为肩部三个自由度，肘部两个自由度，腕部两个自由度。具体实现方法是，在能够保证固定时刻完成目标作业的前提下，在手臂运动过程中发生碰撞的时刻点，让肘部适当弯曲，避免碰撞。这种方案使机械臂实现了在具有较高的灵活性和较大作业空间的同时，无碰撞的运动。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人领域，尤其是一种。
技术介绍
机械臂的轨迹规划是指，在满足一定约束的条件下，规划一条从起始位姿到目标位姿的无碰撞的运动路径。根据规划空间的不同，轨迹规划方法可分为基于关节空间的轨迹规划和基于任务空间(即笛卡尔空间)的轨迹规划两种。这两种方法均有一定的局限性，由于机械臂作业通常在笛卡尔空间描述，所以基于关节空间的轨迹规划方法对任务的描述不直观，而基于任务空间的轨迹规划则需要实现将笛卡尔空间的位姿进行逆运动学求解，转换为机械臂各个关节角，需要大量的运算，而且无法保证整条笛卡尔空间的轨迹中不存在奇异构型，所以基于笛卡尔空间的轨迹规划方法很难应用于实时控制。目前，轨迹规划方法主要有矩形加速度函数法，梯形加速度函数法，B样条曲线法，多项式插值法等。其中矩形加速度函数法计算简単，易于实现，可应用于实时应用场合。目前，对机械臂无碰撞轨迹规划的研究已有很多，Lazona-Perze在Automaticplanning of manipulator transfer movement 和 bpacial planning: a configurationspace approach两篇文章中，提出了一种基于C空间规划方法的自由空间法，该方法能够规划出无碰撞的机械臂运动轨迹，但该方法中对障碍物的建模方法比较复杂，所以规划的效率比较低，不适于实时应用。Khabit在Real-time obstacle avoidance formanipulators and mobile robots 一文中提出，在障碍处定义一个排斥势场，在目标点出定义ー个吸弓I势场，机械臂的运动就由排斥势场和吸弓I势场的共同作用来決定，该方法在处理全局路径规划的动态避障问题时，非常有效，但易于陷入局部最小点处。申请号为201110037726. 9的专利中，描述了一种用于エ业机器人的无碰撞轨迹规划的方法，该方法将整个笛卡尔空间划分成三个部分，障碍物区域，无碰撞区域和发生碰撞的区域，每个区域用一个或多个圆柱形空间描述，机械臂的轨迹仅在无碰撞区域进行规划，可见这种方法没有从根本上解决碰撞问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种。本专利技术适用于具有七个自由度的机械臂，其七个关节角分别为肩俯仰角、肩滚动角、肩偏摆角、肘滚动角、肘偏摆角、腕滚动角和腕俯仰角。并且，固定机械臂从初始位姿到目标位姿的运动时间为I从目标位姿返回初始位姿的时间为Λ。本专利技术ー种包括以下步骤 步骤ー根据桌面与机器人的相对位置，对桌子进行建摸。在笛卡尔空间下，以机器人肩心为世界坐标系，将桌子模型建立为ー个平面以下的区域。步骤ニ 碰撞检测及分类。 为了满足实时性要求，将笛卡尔空间描述的初始位姿和目标任务位姿转换成关节空间的初始关节角序列和目标关节角序列，在关节空间下采用矩形函数加速度法对各个关节角进行插补，生成关节空间下的轨迹，然后对这条轨迹进行正运动学运算得到笛卡尔空间的轨迹，如果机械臂采用这条轨迹完成动作的过程中，整条机械臂都未经过桌子所在的区域，说明机械臂此次运动没有与桌子发生碰撞，则采用该关节空间的轨迹控制机械臂完成任务。否则若机械臂的轨迹与桌面模型有交集，则可确定机械臂在此次任务中与桌面发生了碰撞，需要对机械臂的轨迹进行处理，然后再完成动作。此时需要根据发生碰撞的时刻Γ区分碰撞的三种情况(I)『,初始位姿到目标位姿的运动过程发生碰撞，返回过程未发生碰撞；(2) Γ ,初始位姿到目标位姿的运动过程未发生碰撞，返回初始位姿的过程发生碰撞；(3)以上两种碰撞都发生了，即初始位姿到目标位姿的运动过程和返回过程都发生碰撞。步骤三计算肘滚动角的“临界值”，井根据该临界值调整肘滚动角的轨迹，避免发生碰撞O针对发生碰撞的情况，在碰撞的时刻使机械臂的肘部适当的弯曲直至刚好不与桌面发生碰撞，即在碰撞时刻对造成机械臂与桌面碰撞影响最显著的位于肘部的肘滚动角的值进行修改，使得修改后得到的肘滚动角的“临界值”，结合肩俯仰角、肩滚动角、肩偏摆角、肘偏摆角、腕滚动角和腕俯仰角的值形成的机械臂的构型，刚好不与桌面碰撞。肘滚动角临界值的求解步骤第一歩，根据碰撞时刻肩俯仰角、肩滚动角、肩偏摆角、肘偏摆角、腕滚动角和腕俯仰角的值以及假设ー个肘滚动角的初始值，计算机械臂的正运动学即可得到肘关节方向向量的两个顶点A、B及机械臂上的ー个检测点C的坐标分别为A ( , )，B ( , , ) , C ( - . ),并计算此时肘关节的方向向量AB ;第二歩，计算过点C且垂直于肘关节方向向量AB的平面L，可得其方程为(>■ -^3)( -ろ)+ O -ァ3)(Λ - ) + (z-2s)(z2 -ζι) = 0 ;第三步，计算肘关节方向向量AB与上一歩得到的平面L的交点0( ,J0,)，以此交点ο为球心，以点ο到点c的距离||cc||为半径的球面方程 Ψ，其表达式为(x~xo)2 +(J->'ο)2 +(ζ~ζη)2 = (x3- xo)2 + OfS~λ)2 + ( ~zo)2 ；第四步，求该球面Ψ、第二步的平面L以及桌面的交点D ( ,ヌ4，24 );第五步，计算ZCOD，并用右手定则判断ZCOZ)正负得到的值设为,然后计算机械臂与桌面发生碰撞时肘滚动角的值，设为？4& 麗ゴ，则励i = 90+Ag4 ,最后在基础上增加一定余量，即可得到肘滚动角的临界值。取该碰撞时刻和该时刻肘滚动角的临界值作为ー个中间状态，以及机械臂在初始时刻的肘滚动角为其初始状态和在目标时刻的肘滚动角为目标状态，将肘滚动角的轨迹进行分段生成。则如果发生第(I)种碰撞，三段轨迹分别为初始状态到中间状态，中间状态到目标状态，目标状态返回初始状态；如果发生第(2)种碰撞，三段轨迹为初始状态到目标状态，目标状态到中间状态，中间状态返回初始状态；如果发生第(3)种碰撞，说明机械臂运动过程中，共需要处理与桌面发生的两次碰撞，三段轨迹为初始状态到第一次避碰的中间状态，第一次碰撞的中间状态到第二次碰撞的中间状态，第二次碰撞的中间状态返回初始状态。本专利技术的有益效果是本方案采用关节空间的轨迹规划方法，对手臂各个关节分别进行轨迹插补，在充分发挥各电机的性能、满足关节限幅的要求、避免出现奇异位形的同吋，实现机械臂与桌面的避碰。达到提高机械臂完成任务的成功率和扩大作业空间的目的。附图说明图I为机械臂各 关节的轴向方向及相关坐标系的建立方法； 图2为矩形加速度函数轨迹规划法中加速度曲线 图3为矩形加速度函数轨迹规划法中速度曲线 图4为矩形加速度函数轨迹规划法中位移曲线 图5为机械臂的ー组击球位姿下的构型； 图6为求击球过程中间点的流程 图7求解返回过程中间点的流程图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术作进ー步说明。步骤ー根据桌面与机器人的相对位置，对桌面进行建摸。如图I所示，为ー个仿人机器人右机械臂的简单模型，其中为其各个关节的轴向方向向量，为世界坐标系，( ,乃，ろM = I 7为各关节的局部坐标系。在世界坐标系下，将桌子建立成ー个平面以下的区域。即根据桌面高度和肩心高度，可以计算桌面所在平面在世界坐标系下的描述为z。步骤ニ 碰撞检测及分类。将笛卡尔空间的初始位姿及目标位姿转换成关节空间本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.仿人机器人机械臂避碰运动轨迹规划方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤ー根据桌面与机器人的相对位置，对桌子进行建模 在笛卡尔空间下，以机器人肩心为世界坐标系，将桌子模型建立为ー个平面以下的区域； 步骤ニ 碰撞检测及分类 为了满足实时性要求，将笛卡尔空间描述的初始位姿和目标任务位姿转换成关节空间的初始关节角序列和目标关节角序列，在关节空间下采用矩形函数加速度法对各个关节角进行插补，生成关节空间下的轨迹，然后对这条轨迹进行正运动学运算得到笛卡尔空间的轨迹，如果机械臂采用这条轨迹完成动作的过程中，整条机械臂都未经过桌子所在的区域，说明机械臂此次运动没有与桌子发生碰撞，则采用该关节空间的轨迹控制机械臂完成任务，否则若机械臂的轨迹与桌面模型有交集，则可确定机械臂在此次任务中与桌面发生了碰撞，需要对机械臂的轨迹进行处理，然后再完成动作，此时需要根据发生碰撞的时刻 Γ区分碰撞的三种情况(I)，初始位姿到目标位姿的运动过程发生碰撞，返回过程未发生碰撞；(2) If1 ,初始位姿到目标位姿的运动过程未发生碰撞，返回初始位姿的过程发生碰撞；(3)以上两种碰撞都发生了，即初始位姿到目标位姿的运动过程和返回过程都发生碰撞； 步骤三计算肘滚动角的“临界值”，井根据该临界值调整肘滚动角的轨迹，避免发生碰撞 针对发生碰撞的情况，在碰撞的时刻使机械臂的肘部适当的弯曲直至刚好不与桌面发生碰撞，即在碰撞时刻对造成机械臂与桌面碰撞影响最显著的位于肘部的肘滚动角的值进行修改，使得修改后得到的肘滚动角的“临界值”，结合肩俯仰角、肩滚动角、肩偏摆角、肘偏摆角、腕滚动角和腕俯仰角的值形成的机械臂的构型，刚好不与桌面碰撞，肘滚动角临界值的求解步骤第一歩，根据碰撞时刻肩俯仰角、肩滚动角、肩偏摆角、肘偏摆角、腕滚动角和...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄秋兰，吴俊，熊蓉，张斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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