專利名稱：一種冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冗余度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制領(lǐng)域，具體涉及一種冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
冗余度機(jī)械臂是一種自由度大于執(zhí)行末端任務(wù)所需最少自由度的機(jī)械裝置，其末端運(yùn)動(dòng)任務(wù)包括焊接、油漆、組裝、挖掘和繪圖等。冗余度機(jī)械臂操作的一個(gè)關(guān)鍵問題是冗余度解析問題(包括逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題和逆動(dòng)力學(xué)問題)，即，通過已知機(jī)械臂末端位姿來確定機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度問題。目前有效的冗余度解析方案都是在單一/同層(如速度層、加速度層或力矩層)上進(jìn)行解析。然而，單一/同層的優(yōu)化方案存在著不足單純的速度層解析方案難以考慮加速度極限和力矩極限；而單純的加速度層和單純的力矩層解析方案又容易出現(xiàn)速度發(fā)散和末態(tài)速度不為零的現(xiàn)象。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種操作方便、工作量小的冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下。
一種冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，包括以下步驟
根據(jù)角度層、速度層和加速度層性能指標(biāo)，通過引入權(quán)值調(diào)節(jié)因子，所述權(quán)值調(diào)節(jié)因子用于調(diào)節(jié)上述三層上需要優(yōu)化的性能指標(biāo)在總的優(yōu)化指標(biāo)中的權(quán)重或比重，建立相應(yīng)的冗余度解析方案，所述的解析方案受約束于速度、加速度的雅可比矩陣等式、機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程、關(guān)節(jié)角度極限、關(guān)節(jié)速度極限、關(guān)節(jié)加速度極限和關(guān)節(jié)力矩極限；
利用角度層、速度層和加速度層性能指標(biāo)的等效性及引入等效性參數(shù)，所述等效性參數(shù)用于推導(dǎo)不同層性能指標(biāo)的等效性的過程中，通過設(shè)定該參數(shù)的值，使到兩個(gè)在不同層上優(yōu)化的指標(biāo)就可以達(dá)到性能等效的目的或效果，從而可以將冗余度解析方案轉(zhuǎn)化為一個(gè)統(tǒng)一的二次型規(guī)劃問題；
通過二次型規(guī)劃求解器對(duì)二次型規(guī)劃問題進(jìn)行求解；
下位機(jī)控制器根據(jù)二次型規(guī)劃問題的求解結(jié)果，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂使其完成給定的末端任務(wù)。
上述技術(shù)方案中，所述角度層、速度層和加速度層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化的冗余度解析方案設(shè)計(jì)為
最小化
權(quán)利要求
1.一種冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟 根據(jù)角度層、速度層和加速度層性能指標(biāo)，通過引入權(quán)值調(diào)節(jié)因子，建立相應(yīng)的冗余度解析方案，所述的解析方案受約束于速度、加速度的雅可比矩陣等式、機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程、關(guān)節(jié)角度極限、關(guān)節(jié)速度極限、關(guān)節(jié)加速度極限和關(guān)節(jié)力矩極限；利用角度層、速度層和加速度層性能指標(biāo)的等效性及引入等效性參數(shù)，將冗余度解析方案轉(zhuǎn)化為一個(gè)統(tǒng)一的二次型規(guī)劃問題；通過二次型規(guī)劃求解器對(duì)二次型規(guī)劃問題進(jìn)行求解；下位機(jī)控制器根據(jù)二次型規(guī)劃問題的求解結(jié)果，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂使其完成給定的末端任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，其特征在于，不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化的冗余度解析方案設(shè)計(jì)為最小化{巧明(約-ι- α2ψΛ{θ,θ) -ι- α3φ.(θ,θ,θ,τ)}12，其中對(duì)(β)、<μ (θ,θ) ^\\%(θ,Θ,θ,τ)分別對(duì)應(yīng)于在角度層、速度層和加速度層上欲優(yōu)化的性能指標(biāo)，￡^>0、％ 20和為權(quán)值調(diào)節(jié)因子且兩個(gè)或兩個(gè)以上權(quán)值調(diào)節(jié)因子同時(shí)不為零；沒表示關(guān)節(jié)角度，々表示關(guān)節(jié)速度，θ表示關(guān)節(jié)加速度，τ表示關(guān)節(jié)力矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，其特征在于，角度層、速度層和加速度層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化的冗余度解析方案受約束于Jd = f , Jd = r — je , r = ΗΘ + C + g , β <β <θ+ θ <θ <θ+ θ <θ <θ+其中，等式約束J1^ = ^對(duì)應(yīng)于機(jī)械臂在速度層的末端運(yùn)動(dòng)軌跡，J表示機(jī)械臂的雅可比矩陣t表示機(jī)械臂末端執(zhí)行器的速度；等式約束J鄉(xiāng)=對(duì)應(yīng)于機(jī)械臂在加速度層的末端運(yùn)動(dòng)軌跡，J表示雅可比矩陣的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，r表示機(jī)械臂末端執(zhí)行器的加速度； 等式約束r = H0 + c + g為機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程4表示機(jī)械臂的慣性矩陣，表示離心力變量，g表示重力變量、存i、lF和P分別表示關(guān)節(jié)角度極限、關(guān)節(jié)速度極限、關(guān)節(jié)加速度極限和關(guān)節(jié)力矩極限。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，其特征在于，所述二次型規(guī)劃問題，其性能指標(biāo)為XrQc / 2 + j Tx,約束條件為= d , life ,χ-<χ< X+，其中，只考慮不同層能量最小化方案時(shí)，當(dāng)％ >0時(shí)，決策變表示關(guān)節(jié)加速度，Q由權(quán)值調(diào)節(jié)因子q ,約，0 對(duì)單位矩陣j、丨貫性矩陣H和H2的加權(quán)和獲得，ρ由權(quán)值調(diào)節(jié)因子珥，％ , %及等效性參數(shù)對(duì)存，c·，5和ff的加權(quán)和獲得，C = J' d =；當(dāng)咚=0時(shí)，決策變量χ表示關(guān)節(jié)速度，β由權(quán)值調(diào)節(jié)因子巧，0 對(duì)單位矩陣J的加權(quán)和獲得P由權(quán)值調(diào)節(jié)因子珥，沒和等效性參數(shù)的乘積獲得，C =Jirf=P ；上標(biāo)τ表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置，^X < 6用于關(guān)節(jié)力矩極限和無窮范數(shù)約束，X-表示χ的上下限。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，其特征在于，若所述不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法中含有最小力性能指標(biāo)時(shí)，根據(jù)0 取值的不同， 決策變量X為上述對(duì)應(yīng)變量加上輔助變量S的向量增廣，所述輔助變量S取值為最小力性能指標(biāo)中的最大分量的絕對(duì)值，系數(shù)矩陣β和C以及系數(shù)向量I1也對(duì)應(yīng)加0進(jìn)行增廣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5所述的冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，其特征在于，通過二次型規(guī)劃求解器對(duì)二次型規(guī)劃問題進(jìn)行求解，具體為將所述二次型規(guī)劃問題進(jìn)一步變換為分段線性投影方程，從而構(gòu)造相應(yīng)的二次型規(guī)劃求解器進(jìn)行求解。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種冗余度機(jī)械臂的不同層性能指標(biāo)同時(shí)優(yōu)化方法，如下根據(jù)所需要優(yōu)化的角度層、速度層和加速度層性能指標(biāo)，通過引入權(quán)值調(diào)節(jié)因子，建立相應(yīng)的冗余度解析方案，所述的解析方案受約束于速度、加速度的雅可比矩陣等式、機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程、關(guān)節(jié)角度極限、關(guān)節(jié)速度極限、關(guān)節(jié)加速度極限和關(guān)節(jié)力矩極限；利用上述三層性能指標(biāo)的等效性及引入等效性參數(shù)，將冗余度解析方案轉(zhuǎn)化為一個(gè)統(tǒng)一的二次型規(guī)劃問題；將二次型規(guī)劃問題運(yùn)用二次型規(guī)劃求解器進(jìn)行求解；下位機(jī)控制器根據(jù)求解結(jié)果，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂使其完成給定的末端任務(wù)。本發(fā)明通過引入權(quán)值調(diào)節(jié)因子，將不同層的性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)同時(shí)優(yōu)化，同時(shí)也使得機(jī)械臂完成給定的末端任務(wù)。
文檔編號(hào)B25J9/16GK102514008SQ201110371688
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者張雨濃, 李克訥, 郭東生 申請(qǐng)人:中山大學(xué)