[发明专利]基于自适应遗传算法的机械臂轨迹规划方法及系统

说明书

本发明提供了一种自适应遗传算法的机械臂轨迹规划方法及系统，其方法包括：首先建立机械臂的运动学模型，并将机械臂的空间作业轨迹离散化为一系列空间插值点，进而利用所述逆运动学模型，将所述空间插值点转换至关节空间下对应的关节插值点；然后采用3‑5‑3样条插值算法所述关节插值点进行插值，得到机械臂的关节空间轨迹曲线，进而建立目标函数和约束条件；最后采用自适应遗传算法对机械臂的运动总能量进行优化，得到最优关节空间轨迹曲线。本发明的有益效果是：使机械臂在运动过程中能量消耗最小，保证求解出的轨迹为能量消耗最小的情况下的最优轨迹，且易于实施，易于应用于工业生产中。

技术领域

本发明涉及机械臂轨迹规划领域，尤其涉及一种自适应遗传算法的机械臂轨迹规划方法及系统。

背景技术

目前，工业机械臂作为机器人的一种，已经成为先进制造业的支撑技术，在焊接、切割、搬运、喷涂等工业领域发挥了很大的作用。随着机器人在各个领域应用的不断深入，人们对机器人各方面的性能要求也越来越高，随之而出现的各种工业机械臂的问题也急需攻关。其中，对机械臂展开轨迹规划及优化方法的研究尤为重要，通过轨迹规划可以改进机械臂的工作性能，很大程度上减小零件的损耗，进而提高工作效率和增长机械臂的工作时间。

但是传统的优化方法大部分基于一些最优化方法展开，没有涉及智能优化的领域。并且针对不同的场景功能需求也不尽相同，在室外高空或复杂局限环境中，由于所携带电池容量有限、电池的额定输出功率有限，在一段时间运行过程中可能会出现电池容量耗尽、超出电池额定功率等情况，影响正常作业，因此以能量消耗为优化性能目标，规划出一条光滑平稳的运动轨迹，能够使有限性能关节的机器人发挥其更大的作用，在能源紧张或者有限的情况下节省能量。

现有类似已公开的专利：

公告号为CN 106113034 A、公告日为2016年11月16日的中国专利文件公开了一种六自由度机械臂考虑力约束的轨迹规划方法。将力约束转化为接触形变和接触运动速度的约束，，再根据接触运动学，研究考虑动态接触冲击的机械臂运动速度优化方法和考虑接触形变的基于不同接触边缘的连续轨迹规划方法。

公告号为CN 107367938 A、公告日为2017年11月21日的中国专利文件公开了一种六自由度机械臂考虑力约束的轨迹规划方法。将机械臂的任务空间离散化成多个轨迹差值点，得到位姿矩阵序列和相应的时间节点序列，对位姿序列进行逆运算得到相应的关节位置，设定运动学速度约束条件，并根据约束条件通过三次多项式曲线插值依次连接每个对应的点，得到机械臂的关节轨迹曲线，建立时间目标函数，根据次函数采用多种群遗传算法对机械臂的运动总时间进行优化，得到机械臂的关节运动速度曲线、关节运动加速度曲线和关节运动脉动曲线。

公告号为CN 108621157 A、公告日为2018年10月9日的中国专利文件公开了一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法及装置。设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型，得到力矩关于时间的连续函数；建立以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型，并结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数以及摩擦力能耗求解目标函数的能量消耗；基于以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型，采用序列二次规划算法迭代求解能量最优的轨迹规划的最小值，获得机械臂最优轨迹。

现有技术存在不足：

公告号为CN 108621157 A、公告日为2018年10月9日的中国专利文件公开了一种基于模型约束的机械臂能量最优轨迹规划控制方法及装置。通过三次样条插值算法得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；建立以机械臂运动能耗为优化目标的非线性约束规划模型，并结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数的能量消耗采用序列二次规划算法迭代求解能量最优的轨迹规划的最小值，获得机械臂最优轨迹。