[发明专利]仿人机械臂飞行球体作业最优击球构型一种求取方法

摘要

本发明涉及仿人机械臂飞行球体作业最优击球构型一种求取方法。该方法包括如下步骤(1)运动学数学模型的建立，根据末端连接拍心位置及球拍笛卡尔速度矢量方向获得机械臂末端位姿，并计算推导仿人机械臂逆解求取几何表达式；(2)采用改进教学优化算法搜索模型中冗余变量，以远离关节物理约束限位程度作为算法的目标函数；(3)设置改进教学优化算法运行参数；(4)通过改进教学优化算法最小化目标函数，得到模型中最佳冗余变量值；将最优冗余变量值代入至运动学模型中，获得机械臂对飞行球体作业最优击球构型。本发明能根据拍心位置及球拍笛卡尔速度矢量方向获得机械臂最优的自然构型进行击球作业，解决了机械臂对球体作业连杆构型的优选问题，而且具有待优化参数少、所求关节角具有远离关节位置限位裕量大的优点。

主权项

仿人机械臂飞行球体作业最优击球构型一种求取方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1).为获取仿人机械臂飞行球体作业最优击球构型，使机械臂处在一种自然连杆构型姿态进行击球作业，定义如下最小化目标函数minf(K)＝μμ=max[|q1-q1mid(q1max-q1min)/2|,...|qi-qimid(qimax-qimin)/2|,...,|q7-q7mid(q7max-q7min)/2|],(i=1,2,...,7)]]>式中K为qr与参数组合，其中qr为机械臂逆解求取中设定的第三冗余关节变量，为球拍姿态矩阵中绕z轴转动的偏摆角，qimin、qimid与qimax分别表示关节i位置下限、中值与上限值，qi为关节i位置；该最小化目标函数作为改进教学优化算法对仿人机械臂飞行球体作业最优击球构型求取方法搜索qr、变量的目标函数；2).设置改进教学优化算法的参数：最大进化代数G＝10、种群规模P＝10、个体编码长度即优化变量个数L＝2及算法终止准则；3).运行改进教学优化算法，搜索寻优仿人机械臂飞行球体作业运动模型中的未知参数qr、通过最小化目标函数得到模型中一组未知参数qr、的最优变量参数值；4).将最优变量参数值代入仿人机械臂飞行球体作业运动模型中，获得机械臂对飞行物体作业的最优构型，使所获得的机械臂连杆构型最大程度地远离各关节位置限位；其中，步骤3)包括的步骤为：31).设置改进教学优化算法运行参数，仿人机械臂飞行球体作业模型中2个待优化变量参数qr、的搜索范围，随机生成初始种群；定义仿人机械臂飞行球体作业模型中远离关节物理约束限位程度为算法目标函数；32).将种群中每一个体作为仿人机械臂飞行球体作业模型中的一组参数，代入仿人机械臂运动学模型中逆解求取几何表达式，并计算这组参数所对应的目标函数值；33).对应于种群中目标函数值最小的个体作为当前群体的最优个体，计算最优个体与当前种群个体平均值间之差Difference_Mean；基于当前最优解与反馈方式进行种群个体的更新；若更新后的解优于原先解，则接受新解，否则保留原解；34).随机选择两个个体，基于两个个体间的差异性进行种群个体更新；若更新后的解优于原先解，则接受新解，否则保留原解；35).最优个体解取代最劣个体，修改重复个体；36).重复步骤32)～步骤35)进行算法迭代，直至算法运行达到最大进化代数时为止；37).输出最优结果，所得的最优个体即为仿人机械臂飞行球体作业模型中待优选的变量参数值，将所优选的变量参数值代入作业模型中，获得机械臂对飞行物体作业的最优击球构型；其中，步骤32)中仿人机械臂运动学模型中逆解求取几何表达式按如下步骤计算求取中机械臂连杆末端位姿：321).设定仿人臂击球时刻球拍速度方向与拍面垂直，根据作业时刻球拍速度V，确定当球拍背面与其速度方向垂直的球拍姿态矩阵R式中φ、γ和分别为球拍绕x，y，和z轴旋转运动的滚动、俯仰和偏摆角；假定绕z轴转动的偏摆角作为球拍姿态矩阵R冗余姿态角已知，可得当球拍掌面与其速度方向垂直时，球拍姿态矩阵R为假定绕z轴转动的偏摆角已知，可得322).由球拍中心位姿可求得仿人机械臂连杆末端位姿分别为R7＝Rp7＝p‑R7·(0 0 ‑L3)T式中p为球拍中心位置，L3为腕部与拍心距离，(p7,R7)为仿人臂末端位姿。