多关节机器人逆运动学问题的实时求解

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1、多关节机器人逆运动学问题的实时求解——印峰王耀南夏汉民多关节机器人逆运动学问题的实时求解印峰王耀南夏汉民湖南大学，长沙，410082摘要：机器人运动学方程往往呈高度非线性特性，其逆运动学计算较为复杂，实时性也难以保障。针对该问题，提出一种基于类电磁机制的逆运动学求解新方法，随机抽取问题可行域内一组初始解，仿照电磁理论中带电粒子间吸引一排斥机制，使得粒子快速收敛到问题的最优解，并结合变尺度法进一步提高求解精度。针对变尺度法中最优搜索步长难以精确计算的问题，以微搜索步长为条件，根据机器人运动微分方程推导得到变步长计算公式。最后

2、通过算例验证了该方法的有效性。关键词：机器人；逆运动学；类电磁机制；变尺度法中图分类号：TP242文章编号：1oO4—132X(2010)10—1143一O6ReaI—timeSolutionofInverseKinematicsProblemofMulti-jointRobotsYinFengWangYaonanXiaHanminHunanUniversity，Changsha，410082Abstract：Duetothehighlynonlinearandcomplexnatureofthemanipulatorki

3、nematicequations，thesolutionoftheinverseproblemisdifficulttoachieveanditisdifficulttoguaranteeinreal—time．Anewmethodforcomputingsolutionstotheinversekinematicsofroboticmanipulatorswasdevelopedherein．TheproposedmethodW3SbasedonanEMalgorithm，byrandomlysamplingpoints

4、fromthefeasibleregion，similartoattraction-repulsionmechanismoftheelectromagnetismtheory，theparticlesrapidlyconvergetooptimalsolution．Moreover，approximateoptimalsolutionderivedbyEMwasusedfortheinitialguessesvalueofvariablemetricmethodtosearchtheexactsolution．Nevert

5、heless，theexactoptimalstepsizeinsearchisusuallydifficulttoachieve．Forthisproblem，approximateformulasforcalculatingwerederivedbasedonmotiondifferentialequationofrobotwhenstepsizewassufficientlysmal1．Finally，someexamplesweretakentoverifytheetfeetivenessofthealgorith

6、m．Keywords：robot；inversekinematics；electromagnetism～likemechanism(EM)；variablemetricalgorithm0引言法通过跟踪解的路径，从一个逆运动学解已知的机器人逆运动学问题的求解就是根据已知末初始位姿出发计算目标位姿的逆解[5]；迭代法则端执行器的位姿(位置和姿态)求解相应的关节变从一个给定的初始值出发，迭代地计算问题的精量。计算逆运动学问题的方法可分为封闭解法和确解]。基于智能控制方法的求解思想是将机器数值解法两大类。封闭解法又分为代数法和几

7、何人运动方程转化为一个控制问题来求解，主要包法]，其特点是计算速度快，并且可以找到所有可括遗传算法、神经网络算法及各种智能计算方法能的逆解，但该方法受机器人结构的限制较大，对的组合形式J。于一个6R机器人，仅当其几何结构满足Pieper类电磁机制(EM)算法是一类全新的基于随准则时]，才可以求得其封闭解。采用数值解法机搜索的全局收敛算法，其特点是全局搜索能则不受机器人结构的限制，数值解法主要包括消力强，以3O维Oriewank测试函数为例，采用EM元法、延拓法和迭代计算法三大类。消元法由机法求得满意解的平均耗时水平达到毫秒

8、级l1；器人的非线性运动方程出发构造相关的多项式方目前，EM算法在求解函数优化、神经网络训练、程，通过计算该多项式方程求得其逆解_3。；延拓系统参数辨识以及项目调度等问题时都获得很好收稿日期：2O09～O828的结果n]，其应用前景非常广泛。基于该算基金项目：国家863高技术研究发展计划资助项目法，本文