1.基于球体包络性能最优的工业机械臂轨迹规划方法，包括如下步骤：步骤A1、通过人机交互模块设定机械臂相关参数，目标状态ManutecR3机器人腰和肩以及肘关节轴上的关节角度qtar、机器人完成作业的终端时间tf、时间网格数N、控制变量的初0

始值u 、机械臂与障碍物之间的安全距离dsafe、最大优化时间T和非线性规划求解的精度ε，并传送到中央处理模块；机械臂相关参数包括连杆长度、连杆扭转角、连杆偏距和关节转角；

步骤A2、数据采集模块采集初始状态的ManutecR3机器人腰和肩以及肘关节轴上的关节角度，机械臂实时运行数据以及机械臂与障碍物之间的距离，并通过A/D转换模块发送给中央处理模块；其中机械臂实时运行数据包括机械臂各关节的实时转角；

步骤A3、中央处理模块以当前ManutecR3机器人的状态作为初始状态，调用优化算法、机械臂避障的性能最优轨迹规划模型计算获取机械臂避障的最优路径以及最优目标函数值；

步骤A4、中央处理模块将得到的机械臂避障的最优路径作为设定值，通过D/A转换模块发送给控制器，同时反馈给人机交互模块；

步骤A5、控制器以最优路径为设定目标，发送控制指令驱动机械臂上各关节相应的驱动电机，使各个关节转动到目标角度；

步骤A6、在机械臂各关节运动的过程中，中央处理模块判断数据采集模块采集的机械臂与障碍物之间的距离d与dsafe的大小关系；如果d≥dsafe，则继续运动直至到达目标状态，反之则转至步骤A3；

其特征在于：

所述机械臂避障的性能最优轨迹规划模型，包括目标函数和约束条件：步骤B1、根据时间与能耗综合最优的轨迹规划目标确立目标函数J为：其中，β为常数且β∈[0,1]，表示时间和能耗综合优化的权重系数；t表示时间；dt表示时间变量t的微分；tf为终端时间；u1(t)，u2(t)，u3(t)分别为Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上与时间相关的扭矩电压； 分别是Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上与时间相关的关节角速度，单位为rad/s；b＝1,2,3为机械臂的连杆数；

步骤B2、约束条件为：

1)动力学约束

其中，M(q(t))是包含转动惯量的3×3正定对称质量矩阵；q(t)＝[q1(t),q2(t),q3(t)T] ，其中q1(t)，q2(t)，q3(t)分别是Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上与时间相关的关节角度，单位为rad； 其中2

分别是Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上与时间相关的关节角加速度，单位为rad/s ；uT(t)＝[u1(t),u2(t),u3(t)] ；D为3×3对角矩阵； 是科里奥力和离心力引起的g力矩；χ(q(t))是引力造成的力矩；

2)初始状态约束

其中，q0表示初始状态Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上的关节角度；qinitial表示Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上的关节角度设定值； 表示初始状态Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上的关节角的角速度；

3)目标状态约束

其中，qf表示终端时刻Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上的关节角度；qtar表示目标状态Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上的关节角度； 表示终端时间Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上的关节角的角速度；

4)关节角约束

qmin≤q(t)≤qmax,t＝1,2,...,tf                        (5)其中，qmin表示Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上关节角度的运动下限，qmax表示Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上关节角度的运动上限；

5)关节角速度约束

其中， 表示Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上关节角速度的下限， 表示Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上关节角速度的上限；

6)电压约束

|u(t)|≤umax                               (7)其中，umax为Manutec R3机器人腰、肩、肘关节轴上的扭矩电压的最大值；

7)无碰撞约束

为了简化机械臂与障碍物之间的距离计算，采用多个球体对机械臂进行包络，障碍物也用球体进行包络；R表示机械臂用球体包络后的球心，O表示障碍物用球体包络后的球心；

因此，机械臂与障碍物之间的距离表示为：

其中， 为机械臂第b个连杆上的第i个包络球的球心；i＝1…P，其中P为机械臂的连杆上包络球体的个数；Oj为障碍物上第j个包络球的球心；j＝1…Q，其中Q为障碍物上包络球体的个数；

故无碰撞约束表示为：

2.如权利要求1所述的基于球体包络性能最优的工业机械臂轨迹规划方法，其特征在于中央处理模块调用优化算法计算式(1)‑(9)组成的机械臂避障的性能最优轨迹规划问题，具体步骤如下：步骤C1、中央处理模块接收人机交互模块输入的目标状态Manutec R3机器人腰关节和肩关节以及肘关节的关节角度qtar、机器人完成作业的终端时间tf、时间网格数N、控制变量0

的初始值u 、机械臂与障碍物之间的安全距离dsafe和非线性规划求解的精度ε，数据采集模块获得的初始状态Manutec R3机器人腰关节、肩关节、肘关节的关节角度以及机械臂与障碍物之间的距离；

步骤C2、以机器人的基座为参考物，建立相对坐标系；根据从数据采集模块获得机械臂与障碍物之间的距离确立障碍物的包络球球心坐标步骤C3、根据终端时间、时间网格数，采用均匀离散化的方式，计算出起始时间网格分布；

步骤C4、通过非线性规划算法求解该最优轨迹规划问题，得到当前时间网格下的最优的控制参数和目标函数值。

3.如权利要求2所述的基于球体包络性能最优的工业机械臂轨迹规划方法，其特征在于步骤C4中所述的非线性规划算法具体步骤如下：步骤D1、将式(1)‑(9)组成的优化问题转化成如下式(10)的非线性优化问题：L

其中，x为n维实数变量，f(x)和c(x)分别表示连续可微的目标函数和m维约束方程，x和Ux分别表示变量的上下界约束；

步骤D2、根据划分的离散网格，通过ODE求解微分方程初值问题，获取离散后各网格点变量值，以此作为非线性优化问题的初值；

步骤D3、采用迭代计算方法求解上式(10)所表示的非线性优化问题，在x第k次迭代的迭代xk处QP子问题表示为以下形式：其中，pk为搜索方向，gk和 分别表示在xk处目标函数的导数和约束方程的雅克比矩阵，ck表示在xk处c(xk)的值，Wk为拉格朗日函数的Hessian阵，k为大于等于零的整数；其中拉格朗日函数为：T T U T L

L(x,λ,v,π)＝f(x)+λc(x)+v(x‑x)‑π(x‑x)             (12)T

其中，λ，v和π分别表示与等式约束、上边界约束和下边界约束相关的拉格朗日乘子，λ，T Tv和π分别表示相应拉格朗日乘子的转置；

步骤D4、更新下一次迭代下的变量迭代点：

xk+1＝xk+αpk                            (13)其中α∈(0,1]，通过一维搜索方法求取；

步骤D5、根据最优条件和给定的设定误差进行收敛性判断；如果达到最优条件，则得到xk+1和对应的目标函数值，否则，判断计算时间是否大于最大优化时间T，如果大于最大优化时间T，则终止计算，并返回求解失败信息给人机交互模块；如果小于最大优化时间T，则令k＝k+1,xk＝xk+1,转步骤D3。

4.实现权利要求1‑3任一项所述基于球体包络性能最优的工业机械臂轨迹规划方法的系统，其特征在于：包括人机交互模块、数据采集模块、A/D转换模块、中央处理模块、D/A转换模块、控制器；

所述人机交互模块用于设定机械臂相关参数、目标状态Manutec R3机器人腰和肩以及肘关节轴上的关节角度qtar、机器人完成作业的终端时间tf、时间网格数N、控制变量的初始0

值u、安全距离dsafe、设定时间T和非线性规划求解的精度ε，并传送到中央处理模块，同时接收中央处理模块计算的优化结果；机械臂相关参数包括连杆长度、连杆扭转角、连杆偏距和关节转角；

所述数据采集模块用于采集初始状态的Manutec R3机器人腰和肩以及肘关节轴上的关节角度q0、机械臂实时运行的数据和机械臂与障碍物之间的距离；机械臂运行数据包括机械臂各关节的实时转角；

所述A/D转换模块用于将数据采集模块传输的模拟量数据转换为相应的数字量，并将其输送到中央处理模块；

所述中央处理模块是根据A/D转换模块和人机交互模块传送的数据，来获取最优目标函数值和最优变量值，并将其输送到D/A转换模块，同时反馈给人机交互模块优化结果；中央处理模块存储有机械臂避障的性能最优轨迹规划模型，包括目标函数和约束条件；

所述D/A转换模块用于将中央处理模块传输的数字量数据转换成相应的模拟量控制指令，并将其输送到控制器；

所述控制器根据D/A转换模块传输的控制指令来控制机械臂各关节相应的驱动电机，通过驱动电机实现各关节转动，使各关节转动到目标角度。