仿人機械臂的運動求解和構型控制方法技術

本發明專利技術公開了一種仿人機械臂的運動求解和構型控制方法。本發明專利技術提出的運動求解方法利用該類機械臂的結構特點，在對應的人類手臂上求出機械臂的整體運動，然后映射回機械臂的關節空間進行執行。本發明專利技術提出的運動求解方法不依賴于仿人機械臂的實際關節布置，對于具有不同關節布置的、但是大臂和小臂的臂長相同的仿人機械臂，能產生一致的運動；同時保留了運動優化能力；從對任務的處理方式上模仿人類，能更好地產生類人的動作。本發明專利技術基于運動求解方法中的理論，提出了一種構型控制方法，能控制仿人機械臂的完整構型，并且保證了仿人機械臂從運動規劃到運動控制的一致性。

Motion solution and configuration control method of humanoid robot arm

The invention discloses a motion solving and configuration control method for a humanoid robot arm. The motion solving method proposed by this invention makes use of the structure characteristics of this kind of manipulator to find the whole motion of the manipulator on the corresponding human arm, and then map back to the joint space of the manipulator to carry out the execution. The motion solving method proposed in this invention is not dependent on the actual joint arrangement of a humanoid manipulator, and can produce uniform motion for the same arm length of the arms with different joints, but with the same arm length of the large arm and the small arm, while preserving the motion optimization ability; it can be better to imitate human from the way of handling the task. The action of real estate. Based on the theory of motion solution, a configuration control method is proposed, which can control the complete configuration of a humanoid manipulator and ensure the consistency of the humanoid manipulator from motion planning to motion control.

【技術實現步驟摘要】
仿人機械臂的運動求解和構型控制方法
本專利技術屬于機器人領域，具體涉及一種仿人機械臂的運動求解和構型控制方法。
技術介紹
仿人機械臂是一類特殊的機械臂，它是模仿人類手臂的結構進行設計的，具有S-R-S(球副-旋轉副-球副)的結構，通常由7個旋轉關節組成，如圖1和圖2所示。圖中，S表示肩關節中心，對應肩關節處三個機械關節軸線的交點；E表示肘關節中心；W表示腕關節中心，對應腕關節處三個機械關節軸線的交點；zi(i＝1,…,7)表示7個機械臂關節的軸線方向；l1和l2分別為大臂和小臂的臂長；{S}和{W}分別為肩關節和腕關節坐標系，其原點分別位于肩關節和腕關節中心。其中，前3個關節的軸線相交于一點，構成一個球副，是機械臂的肩關節；第4個關節作為機械臂的肘關節；最后3個關節的軸線也相交于一點，同樣構成一個球副，是機械臂的腕關節。S-R-S的結構可以有不同的實施方式，即機械臂的關節布置可以不同。然而，由于模仿的都是人類手臂，具有不同關節布置的、但是大臂和小臂臂長相同的仿人機械臂應該被看作是相同的機械臂。所以，在對仿人機械臂進行操作空間軌跡規劃時，運動求解方法需要保證得到的運動對于相同的機械臂是一致的。另外，一些場景要求仿人機械臂能嚴格地執行規劃的運動，即需要對機械臂進行構型控制，完全地跟蹤規劃的運動。例如，仿人機械臂在與人協作時，會在規劃階段完成避碰驗證；為了確保無碰撞，機械臂需要嚴格按照規劃的運動運行。由于仿人機械臂的特殊性，機械臂在規劃和調整運動時最好能保持前后一致性，以符合人類的動作特性。所以，規劃過程中用到的理論應該能應用于構型控制中。運動求解是機械臂操作空間軌跡規劃中的中心問題之一，需要根據末端執行器的運動求解出對應的各關節的運動。由于仿人機械臂具有7個自由度，而操作空間內的任務需求是6個自由度，機械臂具有一個冗余自由度，因此存在無窮多組解。對于仿人機械臂而言，難點不在于求出一組可行的解來，而是在于求出能保證相同的機械臂的運動一致的解。這里的一致是指末端執行器的運動是相同的，同時機械臂臂形的變化也是相同的。目前，對機械臂的運動求解方法有很多種，這些方法均是通用的方法，可以應用到仿人機械臂上。一種方法是廣義逆方法，即建立機械臂的雅克比矩陣，利用雅克比矩陣的廣義逆來求解機械臂的關節運動，如參考文獻[1]：CHANTF,DUBEYRV.Aweightedleast-normsolutionbasedschemeforavoidingjointlimitsforredundantjointmanipulators[J].IEEEtransactionsonRoboticsandAutomation,1995,11(2):286–292。這種方法能保證末端執行器按照任務需求運動。但是，雅克比矩陣是與機械臂的實際關節布置緊密相關的，對于不同關節布置的仿人機械臂，它們的雅克比矩陣各不相同。因此，仿人機械臂會產生不同的臂形變化曲線，即無法滿足運動的一致性。另一種方法是引入額外的參數，消除機械臂的冗余性，如參考文獻[2]：TONDUB.Aclosed-forminversekinematicmodellingofa7Ranthropomorphicupperlimbbasedonajointparametrization[C]Proceedingsofthe6thIEEE-RASInternationalConferenceonHumanoidRobots,2006,5:390–397中采用了大臂伸展角和臂形角兩種參數化方式。由于機械臂被完全限制住，這種方法能保證運動的一致性。但是，這種方法需要根據引入的參數定義額外的任務需求，因而增加了運動規劃的工作量。另外，它也使得機械臂喪失了運動優化的能力。運動規劃完成后，機械臂的運動實際上已經完全確定了。一些場景要求仿人機械臂能嚴格地執行規劃的運動，即需要對機械臂進行構型控制，完全地跟蹤規劃的運動。關節空間能完整描述機械臂的運動，因此構型控制可以在關節空間中進行。這種構型控制方法是根據關節的誤差來控制機械臂的運動的。因為關節誤差與實際需要的操作空間的任務需求沒有直接的關系，所以末端執行器的運動跟蹤性能無法得到有效的保障。另外，由于運動求解不能在關節空間中進行，因此無法保證運動規劃和控制的前后一致性。另一種方法是引入額外參數以描述機械臂的完整運動，通過末端執行器的位姿參數和額外參數與關節空間的嚴格數學關系來設計控制器，實現構型控制，如參考文獻[3]：SERAJIH.Configurationcontrolofredundantmanipulators:Theoryandimplementation[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1989,5(4):472–490。這種方法沒有考慮仿人機械臂的結構特點；另外，如上所述，它所對應的運動求解方法具有增加運動規劃工作量和使機械臂喪失優化能力等缺點。
技術實現思路
針對現有方法中存在的問題，本專利技術提出一種仿人機械臂的運動求解和構型控制方法。本專利技術提出的運動求解方法不是從機械臂的運動學模型出發，而是利用機械臂的結構特點，將操作空間中的運動需求與機械臂所對應人類手臂的生理關節關聯起來，在對應的人類手臂上完成運動的求解，然后映射回機械臂的關節空間中。因此，本專利技術提出的運動求解方法對于不同關節布置的仿人機械臂能產生一致的運動。另外，本專利技術提出的運動求解方法保留了機械臂的運動優化能力。本專利技術進而將運動求解方法中的理論應用于仿人機械臂的構型控制中，能完全跟蹤機械臂的運動，同時保持了運動規劃和控制的前后一致性。一種仿人機械臂的運動求解方法，包括以下步驟：步驟一：將操作空間中的任務需求與機械臂的生理關節進行關聯。人類在控制末端工具的運動時，注意力聚焦在工具坐標系上，一般希望能直接影響到工具坐標系的位置和姿態。因此，在肩關節處建立虛擬關節Δ-P，Δ-As和Δ-L，構成一個球型機器人，以控制工具坐標系的位置。其中，Δ-P和Δ-As為轉動副，Δ-L為移動副。同時，由于工具坐標系和腕關節坐標系的相對位姿是固定的，所以對工具坐標系的速度要求VT可以轉換到對腕關節坐標系的速度要求VW上。這樣，軌跡規劃的任務需求與機械臂的生理關節關聯起來了。步驟二：對腕關節的線速度進行分解，確定肩關節和肘關節的運動。保留步驟一中的肩關節處虛擬關節Δ-P和Δ-As的影響。Δ-P和Δ-As貢獻了腕關節線速度vW的一部分，剩余的部分vW,rem由大臂和小臂實現。將剩余線速度vW,rem沿肩-腕連線SW進行分解，其中，垂直分量由肩關節處的虛擬關節Δ-M實現；平行分量有肩關節和肘關節處的虛擬關節Δ-S和Δ-E共同實現。此時，仿人機械臂的肩關節和肘關節的角速度確定了。肩關節的角速度ωshoulder來源于：Δ-P，Δ-As，Δ-M和Δ-S；肘關節的角速度ωelbow來源于：Δ-E。步驟三：確定腕關節的運動。步驟一到步驟二確定了肩關節和肘關節的運動，實現了腕關節坐標系的線速度需求。腕關節坐標系的角速度需求ωW由肩、肘和腕關節共同決定。因此，排除肩關節和肘關節運動的影響，可求得腕關節的運動，即有ωWrist＝ωW-ωshoulder-ωel本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.仿人機械臂的運動求解方法，包括以下幾個步驟：步驟一：將操作空間中的任務需求與機械臂的生理關節進行關聯；在肩關節處建立虛擬關節Δ?P，Δ?As和Δ?L，構成一個球型機器人，以控制工具坐標系的位置，其中，Δ?P和Δ?As為轉動副，Δ?L為移動副，對工具坐標系的速度要求VT能夠轉換到對腕關節坐標系的速度要求VW上，則操作空間中的任務需求與機械臂的生理關節進行關聯；步驟二：對腕關節的線速度進行分解，確定肩關節和肘關節的運動；腕關節線速度vW的一部分由Δ?P和Δ?As實現，剩余部分vW,rem由大臂和小臂實現，將剩余線速度vW,rem沿肩?腕連線SW進行分解，其中，垂直分量

【技術特征摘要】
1.仿人機械臂的運動求解方法，包括以下幾個步驟：步驟一：將操作空間中的任務需求與機械臂的生理關節進行關聯；在肩關節處建立虛擬關節Δ-P，Δ-As和Δ-L，構成一個球型機器人，以控制工具坐標系的位置，其中，Δ-P和Δ-As為轉動副，Δ-L為移動副，對工具坐標系的速度要求VT能夠轉換到對腕關節坐標系的速度要求VW上，則操作空間中的任務需求與機械臂的生理關節進行關聯；步驟二：對腕關節的線速度進行分解，確定肩關節和肘關節的運動；腕關節線速度vW的一部分由Δ-P和Δ-As實現，剩余部分vW,rem由大臂和小臂實現，將剩余線速度vW,rem沿肩-腕連線SW進行分解，其中，垂直分量由肩關節處的虛擬關節Δ-M實現，平行分量由肩關節和肘關節處的虛擬關節Δ-S和Δ-E共同實現；步驟三：確定腕關節的運動；腕關節坐標系的角速度需求ωW由肩、肘和腕三個生理關節共同決定；因此，排除肩關節和肘關節運動的影響，得到腕關節的運動；ωWrist＝ωW-ωshoulder-ωelbow式中：ωshoulder、ωelbow和ωWrist分別表示肩、肘和腕三個生理關節的角速度；步驟四：根據具體的關節布置，將生成的運動映射回機械臂的關節空間上；根據機械臂的具體關節布置，將該運動映射回機械臂的關節空間上，機械臂執行所需的規劃任務。2.根據權利要求1所述的仿人機械臂的運動求解方法，所述的步驟一中，具體為：虛擬關節Δ-P的旋轉方向wP由末端工具的當前位置pT和線速度vT確定，wP垂直于肩-工具連線ST和vT所確定的平面；虛擬關節Δ-L的平移方向vT沿著肩-工具連線ST，vT垂直于wP；虛擬關節Δ-As的旋轉方向wA,S與vT和wP保持正交關系。3.據權利要求1所述的仿人機械臂的運動求解方法，所述的步驟二中，具體為：確定仿人機械臂的肩關節和肘關節的角速度，肩關節的角速度ωshoulder來源于：Δ-P，Δ-As，Δ-M和Δ-S；肘關節的角速度ωelbow來源于：Δ-E；虛擬關節Δ-M的旋轉方向wM由腕關節的當前位置pW和剩余線速度的垂直分量確定，wM垂直于肩-腕連線SW和所確定的平面；虛擬關節Δ-L的平移方向vT沿著肩-工具連線SW，vT垂直于wP；虛擬關節Δ-S和Δ-E的旋轉方向均垂直于大臂和小臂確定的平面，即與仿人機械臂的第4...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁希侖，徐鴻程，王業聰，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京,11