[发明专利]一种基于RES-SCA算法的逆运动学实时解析解优化方法

说明书

本发明提供了一种基于RES‑SCA算法的逆运动学实时解析解优化方法。针对逆运动学封闭式解析解实时寻优，提供了一种改进的正余弦算法：再平衡强化搜索SCA(RES‑SCA)算法。该算法通过结合再平衡策略(RS)和强化搜索策略(ES)实现了平衡勘探与开发的同时，强化群体搜索能力，提高了收敛速度，确保了封闭式解析解寻优的快速和精确。

技术领域

本发明涉及基于RES-SCA算法的逆运动学实时解析解优化。用于在人机遥操作系统中实时求解机器人末端位置和姿态的逆运动学解，确保机器人能够稳定和精确的完成遥操作指令。

背景技术

在遥操作场景中，为了让机器人能够像人类一样灵活抓取或操作目标物体，通常需要机器人手臂要有运动学上的冗余。因此，许多机器人制造商制造了具有七自由度的机械臂来模仿人类手臂。然而，对于每个给定的末端目标，冗余将导致无穷解。这些无穷解的集合被称为封闭解。封闭解可用于避免关节限制、躲避障碍、奇异配置以及优化机械臂动力学等。

然而，想要得到冗余机械臂的运动学逆解是困难的。求解运动学逆解的常见方法是使用雅可比矩阵的数值迭代方法。然而，这种方法需要计算雅可比矩阵的逆，这不是一项简单的任务，尤其是对于冗余机械臂而言，此时的雅可比矩阵将不再是方阵。也有其它不依赖于雅可比矩阵的迭代方法，但依然需要多次迭代来确定逆运动学解，而且给出的解可能不是最优，甚至不是理想的。并且，数值迭代法只能获得一个解。因此，如何得到封闭形式的解析解成为研究的热点。

与数值迭代法不同，解析法通过根据机械臂连杆和关节的几何构型建立冗余参数来提供封闭解。Lee等人提出了一种联合参数化技术来导出封闭解(详见：Redundant armkinematic control based on parameteriza-tion[C]//Proceedings.1991IEEEInternational Conference on Robotics andAutomation.IEEE,1991:458-465.)。Tolani和Badler通过指定肘部位置和固定肩或腕关节导出了封闭解(详见：Real-time inversekinematics of the human arm[J].Presence:Tele-operatorsVirtual Environments,1996,5(4):393-401.)。Dahm和Joublin认为，对于任何给定的位姿(位置和方向)，机器人的肘部都可以自由地沿着称为冗余圆的圆移动(详见：Closed form solution for theinverse kinematics of a redundant robot arm[M].Ruhr-Univ.,Inst.fürNeuroinformatik,1997.)。Moradi等人在Dahm和Joublin工作的基础上提出了一种基于闭合形式逆运动学的闭合形式解，并实现了机器人肘部运动的最小化(详见：Joint limitanalysis and elbow movement minimization for redundant manipulators usingclosed form method[C]//International Conference on Intelligent Com-puting.Springer,Berlin,Heidelberg,2005:423-432.)。针对含关节偏移的七自由度机械臂运动学逆解问题，Sinha和Chakraborty通过利用冗余机械臂几何形状，使用双参数搜索来计算多个逆运动学解(详见：Geometric Search-Based Inverse Kinematics of 7-DoFRedundant Manipulator with Multiple Joint Offsets[C]//2019InternationalConference on Robotics andAutomation(ICRA).IEEE,2019:5592-5598.)。