1.一种基于动作捕捉系统的机械臂拟人化轨迹规划方法,其特征在于,包括:S1、利用光学式动作捕捉仪与数据传输设备记录人臂在某个运动过程中的运动轨迹;
S2、根据步骤S1得到的人臂在某个运动过程中的运动轨迹,分析人臂在所述运动过程中的固有运动特征,以制定机械臂的拟人化运动轨迹标准,从而约束机械臂演奏过程中在操作空间和关节空间中的运动轨迹;
S3、根据步骤S2中制定的拟人化运动轨迹标准,在操作空间中对机械臂末端进行拟人化运动轨迹规划,使机械臂末端对已规划出的拟人化运动轨迹进行跟踪;
S4、确保机械臂在拟人化运动轨迹跟踪过程中具有拟人化的操作构型。
2.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的机械臂拟人化轨迹规划方法,其特征在于,步骤S3具体包括:S31、首先在操作空间中对机械臂末端进行拟人化运动轨迹规划:
建立一个满足步骤S2中拟人化运动轨迹标准的数学模型,设计拟人化运动轨迹规划:在有限时间t内,人手从初始位置C0:[x0,y0,z0]T沿一条过两点连线外一点C1:[x1,y1,z1]T的曲线运动至终点Cf:[xf,yf,zf]T时的运动轨迹规律为:设运动起始时刻为t0,终止时刻为tf,在时刻t1,曲线过非连接线上的一个中间点C1,在t≤t1时,x方向的轨迹表达式为:在t≥t1时,x方向的轨迹表达式为:
其中τ=t/tf,τ1=t1/tf,π1,c1为参数,可将x-(t1)=x+(t1)=x1带入上式中求得,其表达式分别如下:同理可以得到:y-(t),y+(t)和z-(t),z+(t),其中用π2,c2;π3,c3替换π1,c1,综上,可以得到人手末端在操作空间中沿曲线运动时的轨迹表达式;
S32、根据规划的轨迹反解到关节空间,进行轨迹跟踪:
在规划出操作空间中的拟人运动轨迹后,需要控制机械臂对其进行跟踪,在轨迹跟踪过程中,对机械臂的构型进行规划,使机械臂在运动过程中的整体构型更贴近人臂的运动姿态,具体构型规划方法为:使用基于粒子群的多模优化算法对机械臂进行逆运动学求解,获取多组满足求解精度与关节约束,并且有明显差异性的逆解;将多模优化求解过程中的目标函数f(t)设计为:其中,err(Δp)代表机械臂末端的达点误差,pd是机械臂末端的指定位置,p是通过正向运动学解算出的机械臂末端位置;αμ代表了顺应性准则,也就是在每一个达点运动过程中,都使机械臂各关节的运动量最少;α为目标函数的第二部分占总函数值的比重系数。i=1,
2,3,4;wi为权重值,上臂关节的权重值大,前臂关节的权重值小,以确保机械臂在完成任务的过程中大臂的运动量小于前臂;θi(t)为t时刻关节i的角度值。
3.根据权利要求1所述的一种基于动作捕捉系统的机械臂拟人化轨迹规划方法,其特征在于,步骤S4具体包括:使用多模优化算法求解出多组具有差异性的逆解后,采用RULA准则从中选取出一组对应最高拟人度构型的最优逆解:首先根据人类手臂的运动规律,考虑不同的关节姿态对机械臂整体姿态的影响,对机械臂各关节的不同构型进行单独评分,获取整体构型评分准则,即RULA准则;
若出现机械臂整体构型评分相同的情况,则以可操作度指标最大为目标,求取最优构型,可操作度指标定义为: 其中,J为机械臂的雅克比矩阵。