本發(fā)明屬于認(rèn)知發(fā)展與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制交叉領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)器人手臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著機(jī)器人在社會(huì)生活中的應(yīng)用越來越廣泛，人們對(duì)機(jī)器人的智能化要求也越來越高。人們希望可以尋找到能夠構(gòu)建具有更強(qiáng)自主性和適應(yīng)性的機(jī)器人系統(tǒng)的方法。針對(duì)這個(gè)問題，學(xué)者們進(jìn)行了多方探索，其中一個(gè)有效的方法便是借鑒人或其他生物的相關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)制。因?yàn)槿嘶蚱渌飺碛泻軓?qiáng)的內(nèi)在適應(yīng)性、靈活性和進(jìn)化能力，從這個(gè)意義上說，借鑒人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理是解決智能機(jī)器人感覺-運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)相關(guān)問題很有價(jià)值的靈感來源。

2、在機(jī)器人可能具備的眾多能力之中，手臂運(yùn)動(dòng)控制是機(jī)器人應(yīng)該具備的基本能力之一。自上世紀(jì)六十年代第一臺(tái)可編程機(jī)械臂問世以來，機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)得到了廣泛的關(guān)注和大量的研究，并在工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)揮了極大的作用。因此，要想讓機(jī)器人在社會(huì)中與人共存，為人類的生活提供便利，手臂運(yùn)動(dòng)技能是其應(yīng)具備的基本技能之一。在機(jī)器人手臂的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技能中，趨近(reaching)技能是最重要的技能之一。它是包括抓取(grasping)、放置(placing)等各種更為復(fù)雜的手臂運(yùn)動(dòng)的第一步，并為未來的運(yùn)動(dòng)、感知和認(rèn)知行為的發(fā)展以及完善提供了必要的基礎(chǔ)。

3、當(dāng)人進(jìn)行手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同的關(guān)節(jié)對(duì)于手的運(yùn)動(dòng)有著不同的作用，一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)會(huì)繼而引發(fā)另一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。對(duì)仿人機(jī)器人來說同樣如此，不同關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)手臂末端的運(yùn)動(dòng)有著不同的影響，例如，轉(zhuǎn)動(dòng)肩關(guān)節(jié)或者肘關(guān)節(jié)都可以使機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)，但是運(yùn)動(dòng)同樣的幅度，肩關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度會(huì)比肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的小；而轉(zhuǎn)動(dòng)同樣的角度，轉(zhuǎn)動(dòng)肩關(guān)節(jié)導(dǎo)致的手臂末端運(yùn)動(dòng)幅度要比轉(zhuǎn)動(dòng)肘關(guān)節(jié)時(shí)的運(yùn)動(dòng)幅度大得多。如圖1所示，轉(zhuǎn)動(dòng)肩關(guān)節(jié)或肘關(guān)節(jié)使機(jī)械臂末端向上運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)同樣的幅度l1＝l2，肩關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度會(huì)比肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的小α1<α2；轉(zhuǎn)動(dòng)同樣的角度α1＝α2，轉(zhuǎn)動(dòng)肩關(guān)節(jié)導(dǎo)致的手臂末端運(yùn)動(dòng)幅度要比轉(zhuǎn)動(dòng)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度大得多l(xiāng)1>l2。一般來說，越靠近基座的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)對(duì)于末端執(zhí)行器的影響就越大。

4、由于各個(gè)關(guān)節(jié)之間的連接方式不同，各個(gè)關(guān)節(jié)在相同的運(yùn)動(dòng)角度和速度條件下消耗的能量也是不同的，靠近基座的關(guān)節(jié)消耗的能量相對(duì)于靠近機(jī)械臂末端的關(guān)節(jié)消耗的能量要大得多。在機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的過程中，可能存在多組解，即存在多組關(guān)節(jié)角度都可以使機(jī)械臂末端到達(dá)期望的位置。在這多組解中，機(jī)器人應(yīng)該選擇機(jī)械臂能量消耗最低的一組關(guān)節(jié)角度來執(zhí)行。一般來說，對(duì)于要求機(jī)械臂末端位移大的運(yùn)動(dòng)要盡可能地調(diào)用靠近基座的關(guān)節(jié)，比如肩關(guān)節(jié)，而位移小的精細(xì)運(yùn)動(dòng)則盡可能調(diào)用靠近末端的關(guān)節(jié)，比如腕關(guān)節(jié)。針對(duì)不同的機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)當(dāng)對(duì)多個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行選擇，以實(shí)現(xiàn)更有效的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。但是如何進(jìn)行關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)選擇來實(shí)現(xiàn)有效的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提出一種機(jī)器人手臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法及系統(tǒng)，可以根據(jù)機(jī)器人手臂即機(jī)械臂的末端在笛卡爾空間中移動(dòng)的位移大小，選擇合適的關(guān)節(jié)指令來執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)更有效的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種機(jī)器人手臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、針對(duì)機(jī)械臂建立一個(gè)正向模型和對(duì)應(yīng)各個(gè)關(guān)節(jié)的多個(gè)反向模型，正向模型用于建立機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)的角度到機(jī)械臂末端位姿的映射，每個(gè)反向模型用于建立機(jī)械臂末端位姿到對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的角度的映射；

5、將當(dāng)前的各關(guān)節(jié)的角度和機(jī)械臂末端到目標(biāo)的相對(duì)位置輸入反向模型，生成包含各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的一組運(yùn)動(dòng)指令；

6、使用正向模型生成執(zhí)行該組運(yùn)動(dòng)指令的預(yù)測(cè)結(jié)果，該預(yù)測(cè)結(jié)果為機(jī)械臂末端位姿；

7、對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)，通過貪心策略根據(jù)正向模型的預(yù)測(cè)結(jié)果選擇使機(jī)械臂末端最接近目標(biāo)的關(guān)節(jié)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令；

8、在不執(zhí)行已選擇的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令的狀態(tài)下，繼續(xù)根據(jù)正向模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行下一步最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令的選擇，如此迭代規(guī)劃出整條運(yùn)動(dòng)軌跡；

9、在仿真環(huán)境中對(duì)正向模型和反向模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，再根據(jù)采集的實(shí)體機(jī)器人數(shù)據(jù)對(duì)正向模型和反向模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并計(jì)算優(yōu)化的輔助損失函數(shù)。

10、進(jìn)一步地，基于條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)cgan建立各個(gè)關(guān)節(jié)的反向模型，cgan包括生成器和判別器，生成器用于根據(jù)當(dāng)前關(guān)節(jié)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度和機(jī)械臂末端與目標(biāo)的相對(duì)位置生成一組運(yùn)動(dòng)指令；判別器以當(dāng)前關(guān)節(jié)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度和機(jī)械臂末端與目標(biāo)的相對(duì)位置為判別條件來判斷是真實(shí)運(yùn)動(dòng)指令還是生成的運(yùn)動(dòng)指令的概率。

11、進(jìn)一步地，cgan通過生成器和判別器之間的對(duì)抗訓(xùn)練，使生成器生成的運(yùn)動(dòng)指令逐漸逼近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)指令，生成器通過調(diào)整參數(shù)以生成更趨近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)指令，判別器通過調(diào)整參數(shù)以提高區(qū)分真實(shí)的運(yùn)動(dòng)指令和生成的運(yùn)動(dòng)指令的判別能力。

12、進(jìn)一步地，機(jī)械臂末端到目標(biāo)的相對(duì)位置的計(jì)算式為：

13、

14、其中，ptarget表示目標(biāo)位置，pend_effector表示當(dāng)前機(jī)械臂末端的位置。

15、進(jìn)一步地，貪心策略的表達(dá)式為：

16、

17、其中，為關(guān)節(jié)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令，ptarget表示目標(biāo)位置，fm為正向模型，qcur為當(dāng)前的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度，δqj為關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

18、進(jìn)一步地，在選擇最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，計(jì)算機(jī)械臂末端朝向目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)幅度λi，計(jì)算式為：

19、

20、其中，為關(guān)節(jié)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令，ptarget表示目標(biāo)位置，fm為正向模型，qcur為當(dāng)前的機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度。

21、進(jìn)一步地，根據(jù)運(yùn)動(dòng)幅度計(jì)算選擇關(guān)節(jié)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令的概率：

22、

23、其中，pi為概率，λi為第i個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度，λ1+λ2+…+λn為全部關(guān)節(jié)的總運(yùn)動(dòng)幅度。進(jìn)一步地，優(yōu)化的輔助損失函數(shù)l如下：

24、l＝l1+l2

25、

26、其中，l1為目標(biāo)相對(duì)位置δp與正向模型預(yù)測(cè)的手臂末端位移δp′間的均方誤差，l2為輔助損失函數(shù)，δqi表示第i個(gè)關(guān)節(jié)的變化量，wi表示與手臂末端和目標(biāo)距離d相關(guān)的函數(shù)，α為系數(shù)。

27、進(jìn)一步地，函數(shù)wi包括w3＝w4＝d，w5＝d2及w6＝d3。

28、一種機(jī)器人手臂多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，包括：

29、一個(gè)正向模型模塊，用于建立機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)的角度到機(jī)械臂末端位姿的映射；該正向模型根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令生成預(yù)測(cè)結(jié)果，該預(yù)測(cè)結(jié)果為機(jī)械臂末端位姿；

30、與各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的多個(gè)反向模型模塊，用于建立機(jī)械臂末端位姿到對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的角度的映射；該反向模型根據(jù)輸入的當(dāng)前的各關(guān)節(jié)的角度和機(jī)械臂末端到目標(biāo)的相對(duì)位置，生成包含各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的一組運(yùn)動(dòng)指令；

31、運(yùn)動(dòng)指令選擇模塊，用于針對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)，通過貪心策略根據(jù)正向模型的預(yù)測(cè)結(jié)果選擇使機(jī)械臂末端最接近目標(biāo)的關(guān)節(jié)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令；在不執(zhí)行已選擇的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令的狀態(tài)下，繼續(xù)根據(jù)正向模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行下一步最優(yōu)運(yùn)動(dòng)指令的選擇，如此迭代規(guī)劃出整條運(yùn)動(dòng)軌跡；

32、訓(xùn)練模塊，用于在仿真環(huán)境中對(duì)正向模型和反向模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，再根據(jù)采集的實(shí)體機(jī)器人數(shù)據(jù)對(duì)正向模型和反向模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并計(jì)算優(yōu)化的輔助損失函數(shù)。

33、本發(fā)明取得的技術(shù)效果：

34、1.本發(fā)明借鑒人的手臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī)理，結(jié)合機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的不同作用，機(jī)械臂在遠(yuǎn)距離趨近的時(shí)以靠近肩關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)為主，在近距離趨近時(shí)以肘部關(guān)節(jié)為主，并通過通過合理分配關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，提高了機(jī)械臂在趨近時(shí)的效率與精度。

35、2.本發(fā)明在仿真環(huán)境中進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，減少了對(duì)實(shí)體機(jī)器人的損耗，并通過少量實(shí)體機(jī)器人數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，保證模型的實(shí)際應(yīng)用效果。

36、3.本發(fā)明使用貪心策略選擇最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)指令，并通過正向模型預(yù)測(cè)和驗(yàn)證每一步的選擇結(jié)果，確保規(guī)劃出的運(yùn)動(dòng)軌跡高效且可行。

37、4.本發(fā)明通過反向模型生成的運(yùn)動(dòng)指令和正向模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，迭代式地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的路徑規(guī)劃，提高了整體的控制性能。

38、5.本發(fā)明設(shè)計(jì)了優(yōu)化的輔助損失函數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，使得各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性更好，進(jìn)一步提高了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的精度。

39、6.本發(fā)明根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度計(jì)算選擇概率，靈活地調(diào)整各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)指令，確保整體運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性和有效性。