[发明专利]一种面向冗余移动机械臂容错型重复运动规划方法

说明书

一种面向冗余移动机械臂容错型重复运动规划方法，包括以下步骤：1)确定冗余移动机械臂末端执行器期望目标轨迹和期望回拢的运动关节角度θ^*(0)；2)设计基于有限值终态网络的终态吸引优化指标，形成机械臂重复运动规划方案，其中冗余移动机械臂实际运动时的初始运动关节角可以任意指定，不要求末端执行器处于期望轨迹上；给定冗余移动机械臂实际运动时的初始关节角度θ(0),以θ(0)为运动起始点，形成的具有终态吸引优化特性的重复运动规划方案；3)构建有限值激活函数的终态网络模型，以终态网络求解时变矩阵方程；4)将求解得到的结果用于控制各关节电机，驱动机械臂执行任务。本发明提供一种精度高、有限时间收敛的冗余移动机械臂可重复运动方法，当移动机械臂初始各个运动关节角偏移期望位置时，保证冗余移动机械臂可以有效完成工作任务，无需考虑初始各个运动关节角是否在期望的任务轨迹上。

技术领域

本发明涉及移动机械臂的重复运动规划及控制技术，具体地，涉及一种基于终态网络技术的优化性能指标、在移动机械臂初始姿态偏移目标轨迹情形下的移动机械臂逆运动学求解方法。

背景技术

移动机械臂通常由移动平台(移动机器人中的一种)和装在移动平台上的机械臂组成。移动机械臂不但具有机器臂的操作灵活性，而且具有移动机器人工作空间的广阔性。随着移动机械臂性能的逐渐提高，人们对生活品质的美好向往以及探索未知环境的需要，移动机械臂的应用拓展至军事、医疗、娱乐、太空探索等诸多领域。

移动机械臂的研究通常将移动平台和机械臂作为一个整体，即两者在执行任务时同时运动，整个系统可视为一个机械臂系统。根据自由度(Degrees-of-Freedom,DOF)的多少，该机械臂系统可划分为冗余移动机械臂和非冗余移动机械臂。冗余移动机械臂是指所拥有的DOF多于完成给定末端任务所需的DOF的机械臂。对应地，非冗余移动机械臂是指执行给定的末端任务时没有多余DOF的机械臂。显然，较之非冗余移动机械臂，冗余移动机械臂因其有多余的DOF而更为灵活且更具优势，这也是其在实际工程应用中日益凸显出重要性的原因之一。

移动机械臂通常配置6个以上自由度，加上移动平台的自由度，构成冗余运动链，为此，冗余逆解规划问题成为这类机器人应用研究中的重要任务之一。冗余移动机械臂可在满足给定任务约束的同时，实现各运动关节角重构。通过已知末端执行器的位置和姿态，求解其对应的移动平台各转动角和机械臂各个关节角的值。

考虑在m维空间中作业的具有n个自由度的机械臂，末端轨迹与各运动关节位移之间的关系(即正运动学问题)

r_w(t)＝f(θ(t))

其中，r_w(t)表示机械臂末端执行器在工作空间中笛卡尔坐标系下的位移，θ(t)表示各运动关节位移。末端笛卡尔空间与关节空间之间的微分运动关系为

其中，是r_w的时间导数，是各运动关节速度向量，是移动机械臂系统的雅克比矩阵。

绝大多数移动机械臂的重复运动规划工作只关注各运动关节角能否回到初始运动的位置，较少涉及初始各关节角异位的重复运动。在一个真实的移动机械臂运动过程中，各运动关节角的初始位置往往是不准确的，包括移动的底座和多杆的机械臂初始位置和期望初始位置之间的各种关节角误差，即运动关节角异位现象。一般来说,应用最为广泛的伪逆控制法不能完成封闭的轨迹任务。

发明内容

为了克服现有移动机械臂的重复运动规划方法的精度较低、无法在有限时间收敛的不足，本发明提供一种精度高、有限时间收敛的冗余移动机械臂可重复运动方法，当移动机械臂初始各个运动关节角偏移期望位置时，保证冗余移动机械臂可以有效完成工作任务，无需考虑初始各个运动关节角是否在期望的任务轨迹上。

为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：