专利名称：一种冗余度机械臂的新型加速度层重复运动规划方法
技术领域：
本发明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逆运动学求解方法。
背景技术：
冗余度机械臂具有自由度大于任务空间所需最少自由度的特性，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。当冗余度机械臂末端任务为一个封闭曲线时，其各个关节可能回不到初始位置，这种现象叫做关节角偏差现象，或称非重复运动问题，如果冗余度机械臂不能实现重复运动，则在运行过程中会产生不能预料甚至是危险有损机械臂与周围人员安全的问题；而重复运动规划方案就是要设计适当的性能指标，使得机械臂末端执行完封闭曲线任务时，各个关节角都能够回到其初始位置。以往的重复运动解析方法大多都是在速度层上进行，得到的结果为速度值，这不能满足某些采用非速度控制的冗 余度机械臂的要求，且速度层上的求解方法并不考虑加速度极限，机械臂在运动过程中就有可能因超越加速度极限而产生物理损坏。本发明人团队之前的发明《一种冗余度机械臂重复运动规划的方法》(申请号:201010264141.6)则为一种加速度层的重复运动解析方法，可以克服上述速度层控制的冗余度机械臂的缺陷，但是，该发明方案单一，并不能满足实际应用中对不同类型加速度层重复运动方案参数选择的需求。本发明专利提出一种新型的加速度层重复运动规划方案，有效地克服了以往加速度层重复运动规划中参数选择的局限，具有新颖性与实用性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的、计算量小、普遍用于加速度控制的冗余度机械臂重复运动规划方法。为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现:1、一种冗余度机械臂的新型加速度层重复运动规划方法包括如下步骤:I)通过上位机采用二次型优化方案在加速度层上对机械臂的重复运动进行逆运动学求解，设计的最小化性能指标为重复运动，受约束于加速度雅可比等式、障碍物躲避不等式、关节角极限、关节速度极限和关节加速度极限；2)将步骤I)的二次型优化方案转化为QP (二次规划)；3)将步骤2)的QP用QP求解器进行求解；4)将步骤3)的求解结果传递给下位机控制器驱动机械臂运动。2、冗余度机械臂加速度层重复运动方案设计为:最小化的W/2 + /々，受约束于J^ = ra ^A0<b^ θ~ <θ<θ+ ^ θ~ <θ<θ+ ^,其中沒表示关节加速度，W为单位阵，= + 叫 0)]，ρτ 表示 P 的转置，α>0 和 β>0 且 α2<4β 是用来控制关节位移幅值和收敛率的设计参数，等式约束4表示机械臂末端运动轨迹，J表示机械臂的雅可比矩阵，j是其时间导数，Θ表示关节角表示关节速度，表示机械臂末端执行器加速度矢量，θ_< θ <分别表示关节角极限、关节速
度极限和关节加速度极限，θ 土表示关节角上下限，&表示关节速度上下限，沪表示关节加速度上下限，A和b是障碍物躲避参数。3、上述的二次型优化方案可以转化为一个QP，即最小化XTWX/2+pTX，受约束于Cx = d, Ax ^ b, ζ ^ X ^ ζ+，其中，= ，W 为单位矩阵，/ = α6 + α[ _ (0)]，C = J,
d = ra=r-:W, ζ +和ζ_分别表示合成双端约束的上下极限，它们第i个元素分别定义为
权利要求
1.一种冗余度机械臂的新型加速度层重复运动规划方法，其特征在于包括如下步骤: 1)通过上位机采用新型二次型优化方案在加速度层上对机械臂的重复运动进行冗余度解析，设计的新型最小化性能指标为重复运动，受约束于加速度雅可比等式、障碍物躲避不等式、关节角极限、关节速度极限和关节加速度极限，即为最小化
2.根据权利要求1所述的冗余度机械臂加速度层重复运动规划方法，其特征在于所述步骤2)的新型二次型优化转化为一个QP，设计其性能指标为最小化xTWX/2+pTX，受约束于 Cx = d, Ax < b, ζ ^ X ^ ζ+，其中，x ，W 为单位矩阵
3.根据权利要求2所述的冗余度机械臂加速度层重复运动规划方法，其特征在于所述步骤3)的QP求解器求解。
4.根据权利要求3所述的冗余度机械臂加速度层重复运动规划方法，其特征在于所述步骤3)的QP求解器求解结果转化为电机驱动所需要的控制信号，从而驱动各关节电机使机械臂重复运动。
全文摘要
本发明提供了一种冗余度机械臂的新型加速度层重复运动规划方法，包括如下步骤1)设计新型二次型形式的加速度层重复运动性能指标，生成二次型优化冗余度解析方案；2)将步骤1)的二次型优化冗余度解析方案转化为QP(二次规划)；3)将步骤2)的QP运用QP求解器进行求解；4)将步骤3)的求解结果传递给下位机控制器驱动机械臂运动。本发明突破了以往参数选择中的局限，可以较大范围地选取正的设计参数，使得冗余度重复运动规划可选择的方案显著增加，这在工程应用领域具有良好前景。
文档编号B25J13/00GK103231381SQ201310160659
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月3日 优先权日2013年5月3日
发明者张雨浓, 金龙, 王英 申请人:中山大学