專利名稱：一種六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種六自由度仿人靈巧臂，尤其涉及一種六自由度仿人靈巧臂逆運動學的解析快速求解方法。
背景技術：
仿人機器人要想替代人類完成各種作業(yè)，必須應擁有類人上肢的仿人靈巧臂。仿人靈巧臂的連桿構(gòu)形和末端運動情況可用其自由度關節(jié)角來表示，靈巧臂的運動學可分正運動學和逆運動學，其中前者是根據(jù)靈巧臂各自由度關節(jié)角變化情況來求解靈巧臂目標連桿的位姿運動情況，即從關節(jié)角空間到笛卡爾空間的映射求解問題；后者逆運動學問題則相反，它是從笛卡爾空間到關節(jié)角空間的映射求解問題，仿人靈巧臂逆運動學求解問題是實現(xiàn)靈巧臂運動控制、作業(yè)空間分析及軌跡規(guī)劃的基礎。對于機器人逆運動學問題求解目前常用的方法有通過數(shù)值方法如基于雅克比矩陣方法、神經(jīng)網(wǎng)絡方法和遺傳算法等，其中基于雅克比矩陣如Newton-Raphson法、擬牛頓共軛梯度法等需要對雅克比陣求逆，存有雅克比矩陣奇異性問題，且算法初始狀態(tài)的取值將影響算法的收斂速度和求解精度；神經(jīng)網(wǎng)絡方法是通過學習網(wǎng)絡權、閾值參數(shù)建立機器人笛卡爾空間下連桿構(gòu)形同各關節(jié)角度映射關系，但網(wǎng)絡學習所需要的大量樣本數(shù)據(jù)在實際中較難獲取，且網(wǎng)絡學習所需時間較長，不適宜實時控制；遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)求解逆運動學是利用其全局并行搜索特性，但常規(guī)遺傳算法在解決優(yōu)化問題時存有的早熟及收斂速度慢等缺陷降低了算法的優(yōu)化性能，影響逆運動學問題求解精度.此外神經(jīng)網(wǎng)絡與專家系統(tǒng)、模糊邏輯及遺傳算法相結(jié)合的一些混合技術也應用于機器人逆運動學問題求解中，但這些方法求取多自由度機器人逆運動學問題時需要高性能的計算配置和復雜的計算程序。上述方法通過數(shù)值迭代尋優(yōu)求解機器人的逆運動學問題存有耗時較長，而且求解精度也得不到保證，不適宜應用于高精度、高實時性的機器人作業(yè)任務中。除通過數(shù)值迭代方法求解機器人逆運動學問題外，還外一種是通過解析方法求解機器人逆運動學問題。解析法求解機器人逆運動學問題它不需數(shù)值迭代搜索尋優(yōu)，直接由解析公式求得各關節(jié)角度理論值，因此具有速度快，精度高的優(yōu)點，但解析法求解逆運動學較依賴于機器人特定機構(gòu)的特有幾何特征，適宜于求解某些結(jié)構(gòu)簡單工業(yè)機械臂的逆運動學，在結(jié)構(gòu)復雜的仿人靈巧臂逆運動學問題中甚少應用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明解決的技術問題是提供一種六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法，利用該方法求取逆運動學問題速度快，而且精度更高，能將仿人靈巧臂應用于高精度，高實時性的作業(yè)任務中。為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的一種六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法，所述六自由度仿人靈巧臂由肩關節(jié)兩個自由度、肘關節(jié)一個自由度、腕關節(jié)三個自由度、頸部以及連接于各關節(jié)間的連桿組成，尤其是，所述六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法包括如下步驟a、根據(jù)六自由度仿人靈巧臂的結(jié)構(gòu)建立其關節(jié)結(jié)構(gòu)模型，其中，肩心對應肩關節(jié)軸心，肘心對應肘關節(jié)軸心，腕心對應腕關節(jié)軸心，頸心對應頸部；b、確定所述六自由度仿人靈巧臂目標連桿的位姿(pref，Rref)；C、根據(jù)所述目標連桿位姿通過解析法計算出六自由度仿人靈巧臂的逆運動學關節(jié)角矢量q，所述步驟C中通過解析法計算逆運動學關節(jié)角矢量q的具體實現(xiàn)如下定義世界坐標系Σ w，所述肩關節(jié)、肘關節(jié)以及腕關節(jié)在世界坐標系下繞軸分別對應為y，Χ, Χ, Ζ, X，y軸，[rx ry rj為以肩關節(jié)為原點的世界坐標系下腕心的位置坐標，肘關節(jié)角Ci3由所述肩心、肘心以及腕心構(gòu)成的三角關系求取，肩關節(jié)俯仰角Cl1和偏擺角q2由所述肩心、肘心、腕心和頸心構(gòu)成的平面關系求取，分別采用如下等式
權利要求
1. 一種六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法，所述六自由度仿人靈巧臂由肩關節(jié)兩個自由度、肘關節(jié)一個自由度、腕關節(jié)三個自由度、頸部以及連接于各關節(jié)間的連桿組成，其特征在于，所述六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法包括如下步驟a、根據(jù)六自由度仿人靈巧臂的結(jié)構(gòu)建立其關節(jié)結(jié)構(gòu)模型，其中，肩心對應肩關節(jié)軸心， 肘心對應肘關節(jié)軸心，腕心對應腕關節(jié)軸心，頸心對應頸部；b、確定所述六自由度仿人靈巧臂目標連桿的位姿(ρΜ， Γ0；c、根據(jù)所述目標連桿位姿通過解析法計算出六自由度仿人靈巧臂的逆運動學關節(jié)角矢量q，所述步驟c中通過解析法計算逆運動學關節(jié)角矢量q的具體實現(xiàn)如下定義世界坐標系Σ w，所述肩關節(jié)、肘關節(jié)以及腕關節(jié)在世界坐標系下繞軸分別對應為 y，X，X，z，X，y軸，[rx ry rj為以肩關節(jié)為原點的世界坐標系下腕心的位置坐標，肘關節(jié)角 Q3由所述肩心、肘心以及腕心構(gòu)成的三角關系求取，肩關節(jié)俯仰角Q1和偏擺角q2由所述肩心、肘心、腕心和頸心構(gòu)成的平面關系求取，分別采用如下等式
2.根據(jù)權利要求1所述的六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法，其特征在于在求取肘關節(jié)角q3、肩關節(jié)俯仰角Q1和偏擺角q2后，所述腕關節(jié)三個關節(jié)角％、％和q6 通過與六自由度仿人靈巧臂末端姿態(tài)ITf關系求取，采用如下等式
3.根據(jù)權利要求1所述的六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法，其特征在于所述步驟c中還包括驗證所求逆解關節(jié)角矢量q的有效性的方法，該驗證方法包括如下步驟1)分析所述六自由度仿人靈巧臂的正運動學模型，根據(jù)所求逆解關節(jié)角矢量q由靈巧臂正運動學計算目標連桿的位姿(P，R)；2)計算目標連桿位姿的誤差err(Ap，AR)= err(pref-p, R1Rref)；3)驗證所求逆運動學解的有效性，當位姿誤差err(Δ p，AR)足夠小接近于零時所求取逆解有效。
4.根據(jù)權利要求3所述的六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法，其特征在于所述腕關節(jié)連接有靈巧手，所述靈巧手設有手心，所述步驟1)中分析六自由度仿人靈巧臂的正運動學模型，根據(jù)所求各關節(jié)角矢量q由正運動學計算各連桿的位姿(P，R)，采用
全文摘要
本發(fā)明公開一種六自由度仿人靈巧臂逆運動學的快速求解方法，該方法首先建立六自由度仿人臂關節(jié)結(jié)構(gòu)模型，由靈巧臂的肩心-肘心-腕心-頸心構(gòu)成的平面關系和靈巧臂末端位置求取肘關節(jié)角及肩關節(jié)兩關節(jié)角，在此基礎上利用靈巧臂末端姿態(tài)關系求取腕關節(jié)三關節(jié)角；所求取的逆運動學解通過正運動學模型計算靈巧臂目標連桿的位姿誤差驗證解的有效性。相對于機器人逆運動學的數(shù)值求解方法，本發(fā)明提出的六自由度靈巧臂逆運動學求解方法精度高，速度快，可用于高精度，高實時性要求的仿人靈巧臂作業(yè)任務中。
文檔編號G06F19/00GK102509025SQ20111038164
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權日2011年11月25日
發(fā)明者任子武, 孫立寧, 孫榮川, 林睿, 王振華, 陳國棟 申請人:蘇州大學