[发明专利]一种面向双臂机械手协同重复运动的有限时间规划方法

说明书

一种面向双臂机械手协同重复运动的有限时间规划方法，包括以下步骤：1)确定双臂机械手的左右末端执行器的期望目标轨迹，以及双臂机械手各关节的角期望回拢角度；2)设计二次优化指标，形成双臂机械手协同重复运动规划方案，其中可以任意指定双臂机械手实际运动时的初始关节角；3)引入初始修正因子，构建有限时间收敛的终态网络模型，并用该网络方程求解时变问题；4)将计算得到的结果传送给控制器来控制双臂机械手的协同重复运动。本发明精度较高、指定时间收敛，当左右臂的各关节角初始位置偏移期望位置时，双臂机械手各运动关节角在完成轨迹任务后，可以保证在指定的有限时间内回到初始期望位置，实现重复运动任务。

技术领域

本发明属于双臂多连杆机械手的协同重复运动规划及控制技术，具体涉及一种在有限时间内收敛的逆运动学求解方法。当双臂机械手左右各运动关节角初始位置偏移期望轨迹时，通过引入初始修正因子，构建一个基于有限时间收敛的终态网络，最终在指定时间内完成轨迹任务。

背景技术

冗余机械手是一种自由度大于任务空间所需最少自由度的末端能动机械装置，它可以应用于组装、加工、焊接等工业当中。当机械手的末端执行器在笛卡尔操作空间做重复运动时，闭合的末端执行器的运动轨迹可能没有产生闭合的关节角轨迹，导致关节角出现偏差。这种非重复运动问题所带来的偏差可能会引起机械手在重复作业中出现不可预料的情况。为解决这类问题，曾经广泛应用伪逆方法，但是由于其公式计算过程较为复杂，求解过程中存在奇异点，且机械手物理关节角有极限，因而无法应用于求解周期性的重复运动，从而难以预测双臂机械手的运动轨迹。

假设具有n个自由度的双臂机械手在m维空间中工作，研究其末端轨迹与各运动关节位移之间的映射关系称为正运动学问题，具体描述为：

r_L(t)＝f_L(θ_L(t))

r_R(t)＝f_R(θ_R(t))

其中，r_L(t)和r_R(t)分别表示的是在笛卡尔坐标系下的左右机械手末端执行器的位移。θ_L(t)和θ_R(t)分别表示的是左右机械手的各关节角。末端笛卡尔空间与关节空间之间的微分运动关系为:

其中，和分别是r_L(t)和r_R(t)关于时间的导数，和分别是左右机械手的关节速度向量，和分别为机械手左右双臂对应的雅克比矩阵。

冗余双臂机械手实时运动控制的一个基本问题是冗余度解析问题，又被称作逆运动学或运动规划。应用最为广泛的伪逆控制法被广泛应用于机械手的运动控制中，但无法使得机械手完成重复运动任务。为了提高执行的效率，Y.Zhang,引入重复运动指标作为优化准则。形成重复运动规划(Repetitive motion planning,RMP)方案,使用二次规划(QP)和递归神经网络(RNN)来进行机械臂关节角冗余度解析。通常的神经网络求解器具有渐近收敛性能，在计算时间足够长以后，能够获得有效解，且能应用于实时在线求解各类时变问题。

发明内容

为了使得双臂机械手能够在有限的时间内左右两臂协同完成一项共同的任务，实现重复运动，本发明提供一种精度较高，易于实现的有限时间冗余双臂机械手轨迹规划方法，以具有有限时间收敛特性的终态神经网络求解，在初始位置偏移情形下，冗余机械臂各关节角仍然可以回到初始期望位置。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种面向双臂机械手协同重复运动规划的有限时间规划方法，包括以下步骤：

1)设双臂机械手的左右末端执行器的期望目标轨迹为和双臂机械手各关节的角期望回拢角度为和