[发明专利]一种基于BAS算法的六自由度偏置机器人逆解方法

说明书

本发明属于机器人逆运动学领域，具体涉及一种六自由度偏置机器人的逆运动学通用求解方法。该方法首先将手腕无偏置型机器人运动学逆解作为迭代起点，其后通过齐次坐标变换矩阵构建适应度函数F(X)，最后通过BAS算法，引入步长改进策略，以及天牛个体大小缩变策略，由迭代初始的大步长大天牛粗略搜索大致范围，到迭代中后期的小步长小天牛精细搜索，比较左须函数值和右须函数值的大小，确定下一次飞行方向和位置，同时引入随机因素，提高全局寻优能力，不断迭代直至得到手腕偏置型机器人的逆运动学解。该方法相较于传统的逆解算法，有更快的收敛性，大大减小了计算量，提高实时性。

技术领域

本发明属于机器人逆运动学领域，具体涉及一种六自由度偏置机器人的逆运动学通用求解方法。

背景技术

逆运动学算法是机器人运动学的重要组成部分，通过逆解算法求得各任务轨迹点处各关节角度值，据此可建立轨迹函数，进一步找到各关节位置、速度、加速度。为了得到封闭形式的位置逆解，机器人一般采用所谓的球形手腕，其3个转动关节轴线交于一点，恰好满足Pieper给出的具有封闭解的条件，然而，球形手腕结构也有着很大的局限性，并不总能满足要求。一方面是由于机械结构限制中间关节无法实现360°转动，从而限制了机器的灵活性；另一方面是由于三轴相交的限制使其结构强度受限，不能满足操作大负荷的要求。

为了解决这些问题，不得不使用所谓“偏置手腕”的结构形式。限于目前的数学工具，偏置型机器人的逆运动学问题一般没有实用的封闭解，通常采用数值解法。数值法主要有牛顿-拉夫森法、优化算法和迭代搜索类算法等，此外还有学者尝试使用人工神经网络方法、牛顿-拉夫森法及其改进算法。这些算法均存在算法复杂、运算量大的问题。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的不足，故在此提出一种基于BAS算法(天牛须算法)的六自由度偏置机器人逆解方法。本发明的精度高、收敛性快，求解过程更加实时、快速、准确。

为实现上述目的，本发明公开的方法具体包括以下步骤。

S1，构建六自由度偏置机器人的sdh模型：六自由度偏置机器人由基座、末端执行器和5个连杆以及6个旋转关节组成；基于标准的DH参数法建立各关节坐标系，坐标系0为基坐标系，坐标系i为建立在连杆i的末端即旋转关节i+1上的坐标系，坐标系i具有X_i、Y_i、Z_i轴，关节转角θ_i表示X_i轴与X_i-1轴的夹角，i＝1,2,3,4,5,6，坐标系6为末端执行器坐标系。

S2，将六自由度偏置机器人的末端坐标系的目标位姿当作手腕无偏置型机器人的末端坐标系的位姿，求得手腕无偏置型机器人的运动学逆解的解析解即旋转关节的无偏置关节转角θ₁′至θ₆′，作为迭代初始点X₀。

S3，构建适应度函数F(X)：

。

其中X为旋转关节的关节转角θ₁至θ₆，表示引入偏置参数的坐标系6相对于坐标系0的齐次坐标变换矩阵的第p行第q列元素，p=1,2,3，q=1,2,3,4，nx、ny、nz分别为坐标系6的X₆轴与坐标系0的X₀、Y₀、Z₀轴的夹角余弦值；ox、oy、oz分别为坐标系6的Y₆轴与坐标系0的X₀、Y₀、Z₀轴的夹角余弦值；ax、ay、az分别为坐标系6的Z₆轴与坐标系0的X₀、Y₀、Z₀轴的夹角余弦值；px、py、pz为坐标系6的原点在坐标系0中的笛卡尔坐标。

S4，基于BAS算法求取六自由度偏置机器人的逆运动学解，具体包括以下步骤。