[发明专利]一种抑制周期噪声的冗余度机械臂重复运动规划方法

说明书

本发明提供了一种抑制周期噪声的冗余度机械臂重复运动规划方法，包括如下步骤：1)采用二次型优化在角加速度层上对机械臂的逆运动学解析，设计的最小性能指标可为角速度范数、扭矩范数，受约束于带角速度和位置反馈的角加速度雅可比等式；2)进行角速度指标与角加速度指标的等价变换，将步骤1)的二次型优化转化为标准二次规划；3)将步骤2)的标准二次规划用周期节律神经网络经网络求解器进行求解；4)将步骤3)的求解结果驱动机械臂运动。本发明在使用基于二次规划的周期节律神经网络实现控制冗余度机械臂的重复运动规划，有效防止了周期噪声的干扰，实现了机械臂实际轨迹与期望路径的重合，使得机械臂能够重复运动规划。

技术领域

本发明涉及冗余度机械臂控制领域，具体涉及一种抑制周期噪声的冗余度机械臂重复运动规划方法。

背景技术

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；而重复运动规划方案就是要设计适当的指标，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没有考虑到周期噪声的影响，得到的结果均为默认周期噪声不存在的，这不符合实际情况。事实上周期噪声存在于各种控制系统中，从而减小控制性能，甚至导致失控。周期噪声可能会产生于旋转因子，例如电机与振动元件。冗余机械臂也会受到周期噪声的干扰，可能会因此导致冗余机械臂重复运动规划失败。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明至少提供如下技术方案：

一种抑制周期噪声的冗余度机械臂重复运动规划方法，其包括如下步骤：

1)采用二次型优化方案在角加速度层上对机械臂的逆运动学解析，设计的最小性能指标可为角速度范数及扭矩范数，受约束于带角速度和位置反馈的角加速度雅可比等式；

2)进行角速度指标与角加速度指标的等价变换，将所述二次型优化转化为标准二次规划；

3)将所述标准二次规划用周期节律神经网络经网络求解器进行求解；

4)将所述求解的结果驱动机械臂运动。

进一步的，所述步骤1)的二次型优化方案设计为：最小化受约束于带角速度和位置反馈的角加速度雅可比等式其中σ∈[0，1]是权重参数，是关节角速度矢量，a(t)是一个参数矢量，代表关节扭矩矢量，M(θ)∈R^n×n是一个惯性矩阵，是离心力和科里奥利力矢量，g(θ)∈Rⁿ是重力矢量，J是机械臂的雅可比矩阵，θ和分别是关节角矢量和关节角速度矢量，表示关节加速度矢量，r(t)和分别表示机械臂末端执行器位置矢量和速度矢量，表示机械臂末端执行器加速度矢量，λ_a，λ_b∈R作为反馈控制系数。

进一步的，所述步骤2)具体为，

进行角速度指标与角加速度指标的等价变换，二次型优化转化为一个标准二次规划，设计其性能指标为最小化x^TQx/2+μ^Tx，受约束于Jx＝y，其中，T表示转置，Q：＝(1-σ)I+σM(θ)，其中I∈R^n×n是单位矩阵；θ(0)是关节初始角，α和β都是正权重系数；

进一步的，所述步骤3)具体为，标准二次规划转化为一个矩阵方程WX＝Y的求解，其中m为笛卡尔空间的维数，n为关节空间的维数，λ表示拉格朗日乘子矢量；