[发明专利]一种减少基座姿态扰动的空间机械臂路径规划方法

摘要

本发明设计了一种减少基座姿态扰动的空间机械臂路径规划方法。本发明采用下述步骤首先，对空间机械臂建立运动学方程；然后利用正弦多项式函数对关节轨迹进行参数化，根据机械臂的运动约束和基座姿态控制精度定义适应度函数；最后利用模拟退火‑粒子群算法搜索空间机械臂关节运动的最优轨迹，使机械臂的运动对基座姿态产生的扰动最小。着重解决的问题是采用智能优化算法对七自由度的空间机械臂的关节轨迹进行路径规划。

主权项

一种减少基座姿态扰动的空间机械臂路径规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）七自由度空间机械臂建模，（2）机械臂关节函数进行参数化：首先，对机械臂的关节角函数进行参数化，参数化后的关节角函数为：其中，是多项式系数，分别定义为：，、为第关节角的最大值和最小值，将约束条件,代入表达式，得到多项式系数：，将多项式系数代入关节角函数的表达式，中就只含有一个未知参数，只要确定了，机械臂的关节运动轨迹就确定了，对进行微分、二次微分得到关节角速度和角加速度；其次，根据七自由度空间机械臂的D‑H参数和质量特性，将关节角速度、角加速度的约束范围定义为：其中，、分别为第关节的角速度、角加速度，分别为第关节的角速度、角加速度的最大值；利用单位四元数表示刚体姿态，四元数的定义如下：适应度函数和基座的初始姿态、期望姿态定义为：，其中，为本发明初始的基座姿态，为期望的基座姿态，分别为姿态误差、关节角速度和角加速度限制的权重系数：为机械臂关节运动后的基座姿态，为初始的基座姿态，其中，表示机械臂关节运动后基座姿态的标量部分，表示机械臂关节运动后基座姿态的矢量部分；表示初始基座姿态的标量部分，表示初始基座姿态的矢量部分，则和根据关节角速度和角加速度的约束定义，即上式中的定义为：、分别为关节角速度、角加速度的限制值；（3）定义权重系数和算法的参数，（4）利用模拟退火‑粒子群算法对七自由度空间机械臂进行仿真；所述模拟退火‑粒子群算法步骤如下：第一步：随机初始化粒子的位置和速度；第二步：计算每个粒子的适应度值，并且进行比较，存储各粒子的位置和适应度值，并存储适应度值最优个体的位置和适应度值；第三步：确定初始温度；第四步：确定当前温度下个体最优值的适配值；第五步：采用轮盘赌策略从所有个体最优值中确定全局最优的个体，然后更新各粒子的速度和位置；第六步：计算各粒子新的适应度值，更新各粒子的个体极值及群体的极值；第七步：进行退温操作；第八步：若满足迭代次数，搜索停止，输出结果，否则转入第四步。