[发明专利]机器人的逆运动学求解系统

说明书

本发明提供一种机器人的逆运动学求解系统，用于基于输入的机器人的目标位姿值和自由度获得与所述目标位姿值对应的关节角度值。该系统包括：参数初始化模块、逆运动学调度器、雅克比计算单元、位姿更新单元、参数选择器。本发明的系统通过硬件实现，可以快速获得用于控制机器人的运动参数，同时降低的功耗。

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种多自由度机器人的逆运动学求解系统。

背景技术

随着传感器、人工智能、物联网以及大数据技术的发展，各种高级的机器人被用于工业生产，或者代替人类作一些重复性高或危险的工作。灵活性、可操作性是度量机器人能力的重要标准，多关节、高自由度使机器人的功能更强大，可以完成更多的任务。逆向运动学在求解高自由度机器人的控制参数中扮演着重要的角色，是机器人领域众多学者的研究方向。然而，由于逆向运动学求解困难、计算速度慢等因素，严重限制了机器人处理问题的实时能力，此外，逆向运动学的计算消耗大量的能量，这对于电池电量有限的移动式机器人而言，续航是一个巨大的挑战。

在现有技术中，机器人的逆运动学求解通常采用CPU和GPU来计算，然而对于高自由度机器人，CPU计算非常耗时，不能满足机器人控制的实时性要求；同时GPU功耗大，且设备便携度低，不能满足移动式机器人的功耗要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种并行度高，功耗低，高自由度的机器人逆向运动学加速器。

根据本发明的一个方面，提供了一种机器人的逆运动学求解系统，用于基于输入的机器人的目标位姿值和自由度获得与所述目标位姿值对应的关节角度值，该系统包括：

参数初始化模块，用于获得参数初始值，所述参数初始值包括关节角度初始值、位姿初始值以及所述位姿初始值相对于所述目标位姿值的误差初始值；

逆运动学调度器，用于基于所述目标位姿值执行判断，以决定是将当前的关节角度值选择作为与所述目标位姿值对应的关节角度值还是将当前的关节角度值发送给雅克比计算单元，其中，所述当前的关节角度值是来自于参数初始化模块的关节角度初始值或来自于参数选择器的关节角度值；

雅克比计算单元，用于基于接收的所述关节角度值获得雅克比矩阵及雅克比转置矩阵；

位姿更新单元，用于基于所述雅克比矩阵和雅克比转置矩阵获得多个新的关节角度值；

参数选择器，用于从所述多个新的关节角度值中选择一个并发送给逆运动学调度器。

在本发明的系统中，所述参数初始化模块包括：用于生成关节角度初始值的随机信号发生器；用于获得位姿初始值的三角平方计算器和矩阵乘法器；用于获得误差初始值的加法器和三角平方计算器。

在本发明的系统中，所述逆运动学调度器通过将当前的关节角度值所对应的误差与预定阈值进行比较来决定是将当前的关节角度值选择作为与所述目标位姿值对应的关节角度值还是将当前的关节角度值发送给雅克比计算单元，其中，当前的关节角度值所对应的误差是指当前的关节角度值所对应的位姿值与所述目标位姿值之间的误差。

在本发明的系统中，所述雅克比计算单元包括用于获得雅克比矩阵及雅克比转置矩阵的三角平方计算器和矩阵乘法器。

在本发明的系统中，所述位姿更新单元包括：参数计算器，用于计算前向参数；变量更新模块，用于计算关节角度变量的增量；寄存器，用于保存关节角度变量的增量；位姿计算模块，用于根据关节角度变量的增量计算新的位姿值；误差计算器，用于计算新的位姿值和所述目标位姿值的之间的误差；控制器，用于控制变量更新模块、寄存器、位姿计算模块、误差计算器的执行。

在本发明的系统中，所述参数计算器采用矩阵乘法器来计算所述前向参数。

在本发明的系统中，所述矩阵乘法器是4*4矩阵乘法器。