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申请/专利权人：中国科学院合肥物质科学研究院

摘要：本发明公开了一种敏捷作业机械臂的关节规划方法、系统、设备及介质，包括获取设定的机械臂某一关节及其性质，判断其性质是静态还是动态。对于静态关节，将其初始和末端条件作为输入，利用静态关节规划器结合当前关节的角度、角速度和角加速度限制，基于自我修复机制求解关键参数。对于动态关节，同样设定初始和末端条件作为输入，求解关键参数。然后，结合伪Sigmoid函数得到连续的关节序列，再以固定频率采样，得到每个关节的关节序列。最后，根据得到的关节序列完成机械臂关节动作规划方案。本发明通过判定关节性质，并采取不同处理方法，从而更好地规划机械臂的运动。

主权项：1.一种敏捷作业机械臂的关节规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、获取机械臂第k个关节，并根据历史数据判断其关节性质，所述关节性质包括静态关节，以及动态关节；步骤S2、根据步骤S1判断当前关节性质为静态关节，将预先设定的关节初始和末端条件作为静态关节规划器的输入，利用静态关节规划器结合当前关节的角度、角速度，以及角加速度的限制，基于自我修正机制求解静态关节规划器的关键参数，其具体步骤包括：步骤S21、根据步骤S1判断当前关节性质为静态关节，将预先设定的关节初始和末端条件作为静态关节规划器的输入，并设定获取当前关节的角度限制、速度限制、加速度限制、初始时刻的关节值、终止时刻的关节值，以及关节动作持续时间；步骤S22、设置中间变量；其中，表示静态关节规划器计算出的在初始时刻关节Jk的关节值，表示静态关节规划器计算出的关节速度最大的时刻和位于该时刻的关节值，表示静态关节规划器计算出的关节值最大的时刻和位于该时刻的关节值，表示判定关节加速度是否连续的判定系数，表示静态关节规划器计算出的关节速度最大值，为静态关节规划器的状态变量，并将进行初始化后，再设置静态关节规划器输出变量；步骤S23、根据得到的参数，判断是否成立，若成立，则说明关节终止时刻的关节值超限，关节规划失败，赋值为-1，规划程序中止；反之，则执行下一步骤S24；步骤S24、根据得到的参数，判断如下不等式是否成立，公式为： ；若成立，则赋值为-2，执行自我修正机制I，具体表达式如下： ；步骤S25、再利用如下公式计算关节在运动过程中加速度极值的最小值： ；其中，表示加速度极值，是的函数，具体表达式为： ；上式中，为自变量，，的取值下界为，且e为自然对数的底数，exp•为底数为自然对数e的指数函数，为简化而设置的中间变量，均为的函数，其具体表达式为： ； ； ；再利用如下公式计算关节速度最大值，公式为： ；并将关节速度最大值赋值于；步骤S26、判断是否成立，若成立，则执行自我修正机制II，具体表达式如下： ； ，；并将赋为，若不成立，执行下一步骤S27；步骤S27、将赋为；步骤S3、根据步骤S2求解得到的静态关节规划器关键参数,结合伪Sigmoid函数得到连续的关节序列，再以固定频率采样，得到每个关节的关节序列，其具体步骤包括：步骤S31、根据步骤S2求解得到的静态关节规划器关键参数，根据定义的伪Sigmoid函数表达式求解第k个关节的连续关节序列，伪Sigmoid函数表达式为： ；其中，当时， ；当时， ；式中，为一映射，α,β,k为映射的自变量，a,b,κ为映射的因变量，该映射的具体表达式为： ； ；其中，X为一中间变量，为一映射，u为该映射的自变量，v为该映射的因变量，,,为其参数，具体表达式为： ；步骤S32、根据机器人关节的控制周期为，对连续角度序列进行采样，得到第k个关节的离散角度序列，表达式为： ；其中，,分别为击球和关节动作停止时的采样时刻，具体公式为： ；步骤S4、根据步骤S1判断当前关节性质为动态关节，将预先设定的关节初始和末端条件作为动态关节规划器的输入，利用动态关节规划器结合当前关节的角度、角速度，以及角加速度的限制，基于自我修正机制求解动态关节规划器的关键参数，其具体步骤包括：步骤S41、根据步骤S1判断当前关节性质为动态关节，作为第k个关节，将预先设定的关节初始和末端条件作为关节规划器的输入，并设定获取当前关节的角度限制、速度限制、加速度限制、初始时刻的关节值、终止时刻的关节值、终止时刻的关节速度，以及关节动作持续时间；步骤S42、设置中间变量；其中，表示动态关节规划器在初始时刻输出的关节值，表示动态关节规划器计算出的关节速度最大的时刻和位于该时刻的关节值，表示动态关节规划器计算出的关节值最大的时刻和位于该时刻的关节值，表示判定关节加速度是否连续的判定系数，表示动态关节规划器计算出的关节速度最大值，为动态关节规划器的状态变量，并将进行初始化后，再设置动态关节规划器输出变量；步骤S43、根据得到的参数，判断是否成立，若成立，则说明关节终止时刻的关节值超限，关节规划失败，赋为-1，规划程序中止；反之，执行下一步骤S44；步骤S44、判断如下不等式是否成立； ；若成立，则执行动态关节自我修正机制III，具体表达式如下： ；并执行步骤S45；反之，则直接跳转至步骤S45；步骤S45、利用如下公式计算关节在运动过程中加速度极值的最小值，公式为： ；若成立，则执行自我修正机制II，具体表达式如下： ；并将赋为，并跳转到步骤S5；若不成立，则执行步骤S46；步骤S46，将赋为，并直接跳转到步骤S5；步骤S5、根据步骤S4求解得到的动态关节规划器关键参数,结合伪Sigmoid函数得到连续的关节序列，再以固定频率采样，得到每个关节的关节序列，其具体步骤包括：步骤S51、根据步骤S4求解得到的动态关节规划器关键参数，根据定义的伪Sigmoid函数表达式求解第k个关节的连续关节序列，伪Sigmoid函数表达式为： ；其中，当时， ；当时， ；式中，为一映射，α,β,k为映射的自变量，a,b,κ为映射的因变量，该映射的具体表达式为： ； ；其中，X为一中间变量，为一映射，u为该映射的自变量，v为该映射的因变量，,,为其参数，具体表达式为： ；步骤S52、根据机器人关节的控制周期为，对连续角度序列进行采样，得到第k个关节的离散角度序列，表达式为： ；其中，,分别为击球和关节动作停止时的采样时刻，具体公式为： ；步骤S6、根据步骤S3和S5得到的每个关节的关节序列完成机械臂关节动作规划方案。

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