[发明专利]一种七自由度肘偏置机械臂轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种七自由度肘偏置机械臂轨迹规划方法，属于机器人控制相关领域。本发明将笛卡尔空间轨迹规划与关节空间轨迹规划相结合，同时为了保证机械臂运行的安全性和稳定性，提出一种综合偏离中心度和最小距离两个指标的约束函数，对逆运动学臂型角进行优化；根据已知的机械臂末端起始位置，利用优化后的梯形速度规划方法进行笛卡尔空间的轨迹规划；为实现较高的计算效率，在笛卡尔空间所得轨迹上选取适当的点，利用优化过臂型角的逆运动学计算相应的关节空间位置；通过带中间点的五次多项式规划相邻关节空间位置之间的运动轨迹，从而实现对期望轨迹的跟踪，提高了算法计算效率，同时确保机械臂运行的安全性和稳定性。

技术领域

本发明涉及到机器人的控制相关领域，尤其涉及一种七自由度肘偏置机械臂轨迹规划方法。

背景技术

七自由度肘偏置机械臂具有高度的灵活性、容错性与可靠性，利用它的自运动特性可以躲避障碍物、躲避奇异点、避关节限位、优化关节力矩等性能指标，但也使得逆运动学求解变得困难，如何从无限多个构型中进行选择成为难点。

目前机械臂的各类轨迹规划方法，通常是在关节空间或者笛卡尔空间内实施。其中，笛卡尔空间轨迹规划需要对轨迹上每个位置点进行逆运动学求解，对于冗余机械臂而言求解过程更为复杂，因为得到的关节角度不唯一，需要采用相应约束准则(如关节位移量最小、关节角度限位等)选取最优关节角，计算相当复杂，而关节空间轨迹规划则无需求解机械臂逆运动学，计算量更小，实时性较高，不会发生机构奇异性问题，但可能无法确定机械臂末端轨迹。

发明内容

本发明的目的在于解决上述七自由度机械臂逆运动学求解难点，克服只采用单一的笛卡尔空间轨迹规划或关节空间轨迹规划的缺点，提出一种七自由度肘偏置机械臂轨迹规划方法，以提高轨迹跟踪算法计算效率并确保机械臂运行的安全性和稳定性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种七自由度肘偏置机械臂轨迹规划方法，包括：

步骤一、获取机械臂末端在笛卡尔空间运动的始末位置；机械臂为SRS型，

步骤二、在始末点之间利用优化后的梯形速度规划方法规划满足条件的任务空间轨迹；

步骤三、在已经规划好的笛卡尔空间运动轨迹上选取适当的位置点，利用经过臂角优化的逆运动学算法计算各位置点对应的关节空间位置；

步骤四、在相邻两关节空间位置点之间利用关节空间轨迹规划方法，实现期望轨迹跟踪。

作为优选的一种技术方案，在步骤一中，机械臂末端起始点位置是根据任务要求确定，机械臂在自由空间运动。

作为优选的一种技术方案，在步骤二中：

梯形速度规划方法中的数学模型为：

运行总时间t、始末速度、始末位置和最大加速度已知时，按照如下约束进行求解：

运行总时间t、始末速度、始末位置和最小加速度已知时，按照如下约束进行求解：

式中，t₁为加速运动时间，t₂为匀速运动时间，t₃为减速运动时间，v_max为最大速度限制，v_min为最小加速度限制，S为总位移。

作为优选的一种技术方案，在步骤三中：

利用基于臂型角的逆运动学解析解求得笛卡尔空间位姿控制点对应的关节空间角度序列与时间节点t_i，j为节点序列号，i为关节序列号；

逆运动学数学模型：