CN117798938A - 一种多关节机器人非奇异评价控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种多关节机器人非奇异评价控制方法及装置，所述方法包括：获取机械臂运动学参数和当前关节角；计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。本申请中，通过计算关节角的非奇异评价指标，从而可以控制机械臂在奇异评价指标较高的关节角之间进行姿态变换，避免机械臂运动过程中临近奇异位，解决机械臂的奇异现象会导致截骨时灵活度不足的问题。
Description
技术领域
本申请涉及手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种多关节机器人非奇异评价控制方法及装置。
背景技术
在膝关节置换手术（TKA）中，机械臂以被动协作的方式参与工作，常见的方式为：机械臂通过运动学约束为截骨平面运动提供虚拟约束，提高平面截骨精度，辅助术者更精准更高效的完成平面截骨操作。
机械臂由于其物理构型限制，关节空间与笛卡尔末端空间映射关系在某些时刻存在奇异现象，会导致截骨时灵活度不足，具体表现为：末端出现微小变化时关节空间某些关节速度与加速度突变，造成不稳定现象，影响手术精度与安全性。
基于此，提出一种避开奇异现象的多关节机器人非奇异评价控制方案。
发明内容
本申请解决的问题是机械臂的奇异现象会导致截骨时灵活度不足。
为解决上述问题，本申请第一方面提供了一种多关节机器人非奇异评价控制方法，包括：
获取机械臂运动学参数和当前关节角；
计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
本申请第二方面提供了一种多关节机器人非奇异评价控制装置，其包括：
参数获取模块，其用于获取机械臂运动学参数和当前关节角；
指标计算模块，其用于计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
机械臂控制模块，其用于根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
本申请第三方面提供了一种电子设备，其包括：存储器和处理器；
所述存储器，其用于存储程序；
所述处理器，耦合至所述存储器，用于执行所述程序，以用于：
获取机械臂运动学参数和当前关节角；
计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行实现上述所述的多关节机器人非奇异评价控制方法。
本申请中，通过计算关节角的非奇异评价指标，从而可以控制机械臂在奇异评价指标较高的关节角之间进行姿态变换，避免机械臂运动过程中临近奇异位，解决机械臂的奇异现象会导致截骨时灵活度不足的问题。
附图说明
图1为根据本申请实施例的多关节机器人非奇异评价控制的示意图；
图2为根据本申请实施例的多关节机器人非奇异评价控制方法的流程图；
图3为根据本申请实施例的多关节机器人非奇异评价控制方法非奇异评价指标计算的流程图；
图4为根据本申请实施例的多关节机器人非奇异评价控制方法中机械臂本体灵活度确定的示意图；
图5为根据本申请实施例的多关节机器人非奇异评价控制方法投影向量获取的流程图；
图6为根据本申请实施例的多关节机器人非奇异评价控制装置的结构框图；
图7为根据本申请实施例的电子设备的结构框图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
在膝关节置换手术（TKA）中，机械臂以被动协作的方式参与工作，常见的方式为：机械臂通过运动学约束为截骨平面运动提供虚拟约束，提高平面截骨精度，辅助术者更精准更高效的完成平面截骨操作。
机械臂由于其物理构型限制，关节空间与笛卡尔末端空间映射关系在某些时刻存在奇异现象，会导致截骨时灵活度不足，具体表现为：末端出现微小变化时关节空间某些关节速度与加速度突变，造成不稳定现象，影响手术精度与安全性。
基于此，提出一种避开奇异现象的多关节机器人非奇异评价控制方案。
针对上述问题，本申请提供一种新的多关节机器人非奇异评价控制方案，能够对当前关节角进行非奇异评价，在此基础上进行机械臂控制，解决机械臂的奇异现象会导致截骨时灵活度不足的问题。
本申请实施例提供了一种多关节机器人非奇异评价控制方法，该方法的具体方案由图1-图5所示，该方法可以由多关节机器人非奇异评价控制装置来执行，该多关节机器人非奇异评价控制装置可以集成在电脑、服务器、计算机、服务器集群、数据中心等电子设备中。结合图1、图2所示，其为根据本申请一个实施例的多关节机器人非奇异评价控制方法的流程图；其中，所述多关节机器人非奇异评价控制方法，包括：
S100，获取机械臂运动学参数和当前关节角；
本申请中，所述机械臂运动学参数至少包括各个关节的关节角度和关节长度。
关节角度（Joint Angles）：描述了机械臂各个关节的角度，通常以关节角度的向量形式表示。关节角度是控制机械臂运动的基本参数之一。
关节长度（Link Lengths）：描述了机械臂各个关节之间的长度，包括各个连杆（link）的长度以及关节之间的距离。
优选地，所述机械臂运动学参数还包括关节偏移和工作空间。
关节偏移（Joint Offsets）：描述了机械臂各个关节相对于前一个关节的偏移量，即相邻关节轴线之间的偏移。
工作空间（Workspace）：描述了机械臂能够达到的全部位置和姿态范围，通常以立体空间或三维坐标系的形式表示。
优选地，所述机械臂运动学参数还包括关节速度和加速度限制。
关节速度和加速度限制（Joint Velocity and Acceleration Limits）：描述了机械臂各个关节的运动速度和加速度的限制，用于控制机械臂运动的平滑性和安全性。
优选地，所述机械臂运动学参数还包括末端执行器姿态及负载参数和惯性参数。
末端执行器姿态（End-Effector Pose）：描述了机械臂末端执行器的位置和姿态，通常以位姿矩阵或欧拉角的形式表示。
负载和惯性参数（Load and Inertia Parameters）：描述了机械臂末端执行器的负载情况和质量分布，以及机械臂各个关节的惯性参数，用于计算机械臂的动力学特性。
本申请中，所述当前关节角为各个关节的当前时刻的关节角。
S200，计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
本申请中，所述非奇异评价指标，是指当前关节角下，机械臂可以运动的灵活度，该灵活度与奇异位置有关，距离奇异位置/奇异姿态越近，则灵活度越低，非奇异评价指标就越高。
S300，根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
本申请中，根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制，即是控制机械臂在非奇异评价指标较高的关节角之间进行姿态变换，从而避免机械臂运动过程中临近奇异位，导致控制不准。
本申请中，获取了当前关节角的非奇异评价指标，就可以通过指标阈值来确定当前关节角是否是可用的关节角（例如非奇异评价指标大于指标阈值即是可用关节角）。
本申请中，基于非奇异评价指标对机械臂进行操作控制，可以是：获取下一时刻的关节角的非奇异评价指标，若非奇异评价指标大于指标阈值，则下一时刻的关节角为可用关节角，控制机械臂运动至该下一时刻关节角；然后再计算下一时刻的关节角的非奇异评价指标，这样循环进行，完成机械臂的操作控制。
本申请中，基于非奇异评价指标对机械臂进行操作控制，还可以是：若当前关节角的非奇异评价指标大于阈值，则当前关节角为可用关节角，控制机械臂运动至下一时刻，并计算下一时刻的关节角的非奇异评价指标；若前关节角的非奇异评价指标小于阈值，则当前关节角为非可用关节角，紧急停止机械臂，并对外发出警报。需要说明的是，该控制方法适用于被动机械臂，可以防止机械臂被外力推动至奇异位置。
本申请中，通过计算关节角的非奇异评价指标，从而可以控制机械臂在奇异评价指标较高的关节角之间进行姿态变换，避免机械臂运动过程中临近奇异位，解决机械臂的奇异现象会导致截骨时灵活度不足的问题。
在一种实施方式中，结合图3所示，所述S200，计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标，包括：
S201，根据机械臂运动学参数和当前关节角，确定机械臂本体灵活度；
本申请中，机械臂本体灵活度，是指在不考虑其他约束的情况下，仅考虑机械臂本身约束的情况下的机械臂的灵活度。
需要说明的是，整个机械臂控制过程中，不仅需要考虑机械臂本身的约束，还需要考虑为了截骨进行的截骨平面约束等其他约束。
S202，生成随机单位向量；
本身中，生成的随机单位向量为：
其中，v为随机单位向量，θ、φ∈[0,2π]的随机值。
需要说明的是，还可以通过其他方式生成随机单位向量，例如：随机生成三个分量（x、y、z），范围为[-1,1]，将生成的三个分量归一化，即除以它们的长度，得到随机单位向量。
S203，获取随机单位向量在机械臂末端法兰坐标系下的约束平面上的非齐次投影向量；
本申请中，随机单位向量具有自身的坐标系，机械臂的控制坐标系为机械臂末端法兰坐标系，通过将随机单位向量向机械臂末端法兰坐标系映射，从而实现两个坐标系的统一。
本申请中，机械臂本身的运动轨迹，需要收到截骨平面的平面约束，从而约束机械臂的末端工具仅在截骨平面运动，进行截骨。
获取随机单位向量在机械臂末端法兰坐标系下的约束平面上的非齐次投影向量，事实上就是获取随机单位向量在正常的机械臂控制中的具有对应约束下的控制数据，任何机械臂的控制数据，均需要通过类似处理映射后，作为控制数据对机械臂进行控制。
本申请中，非齐次投影向量是指点在三维空间中的直角坐标，通常表示为三维向量[x, y, z]。
S204，计算非齐次投影向量、非齐次投影向量的反方向向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量的反方向向量的方向灵活度；
本申请中，非齐次投影向量、非齐次投影向量的反方向向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量的反方向向量，四个向量为约束平面上的四个方向的向量，通过该四个方向，覆盖整个约束平面的所有可能方向。
结合图1所示，图中的虚线框代表约束平面，四个方向代表该四个方向向量，从而可以使得无论该约束平面内的哪个方向上出现了灵活度约束/损失/限制，均会从至少一个方向向量上显示出来。
本申请中，计算非齐次投影向量的方向灵活度，是基于机械臂本体灵活度计算得到的。因此，该方向灵活度中包含机械臂本体灵活度的限制因素。
S205，基于四个向量的方向灵活度，计算非奇异评价指标。
本申请中，非奇异评价指标可以为四个向量的方向灵活度的和，从而可以直观反应四个向量的方向灵活度。
本申请中，通过随机生成单位向量，映射至机械臂末端法兰坐标系下的约束平面，计算对应方向灵活度的方式，来实现非奇异评价指标的计算，从而通过随机性，增加整个非奇异评价指标的准确度。
在一种实施方式中，结合图4所示，所述S201，根据机械臂运动学参数和当前关节角，确定机械臂本体灵活度，包括：
S101，根据机械臂运动学参数和当前关节角计算当前雅可比矩阵；
本申请中，雅可比矩阵的每个元素表示末端执行器在关节角度变化方向上的线速度与该关节角度变化的关系。
本申请中，根据机械臂的运动学模型，可以推导出雅可比矩阵的表达式。根据当前的关节角，将其代入雅可比矩阵的表达式中，即可计算出机械臂的当前雅可比矩阵。
S102，对当前雅可比矩阵进行奇异值分解，得到对角矩阵；
本申请中，奇异值分解，即是主成分分解，求解奇异值。
本申请中，对于任意的矩阵，我们总可以将其分解为一个正交矩阵U，一个对角矩阵和另一个正交矩阵的转置的乘积。基于该分解，可以得到对角矩阵。
S103，基于对角矩阵确定机械臂本体灵活度。
在一种实施方式中，所述机械臂本体灵活度的计算公式为：
其中，Ψ为机械臂本体灵活度，Σ(i,i)为对角线元素，为对角矩阵，为单位正交矩阵，/>为单位正交矩阵，J(θ)为当前雅可比矩阵。
本申请中，通过对机械臂的当前雅可比矩阵进行奇异值分解，基于分解后的对角矩阵中的对角元素，确定机械臂本体灵活度，
在一种实施方式中，结合图5所示，所述S203，获取随机单位向量在机械臂末端法兰坐标系下的约束平面上的非齐次投影向量，包括：
S301，获取平面约束参数；
本申请中，所述平面约束为：
其中，A，B，C，D为平面参数，描述了工具坐标系下截骨虚拟约束平面。
S302，将所述随机单位向量投影至平面约束参数对应的约束平面，得到投影后向量；
在一种实施方式中，投影后向量的计算公式为：
其中，v’为投影后向量，v为随机单位向量，θ、φ为随机值，n为平面约束的向量。
S303，将投影后向量转化至机械臂末端法兰坐标系，得到对应的非齐次投影向量。
在一种实施方式中，将投影后向量转化至机械臂末端法兰坐标系，得到对应的非齐次投影向量，具体可以为：先将投影后向量进行单位化，得到单位投影向量；再将单位投影向量转化至机械臂末端法兰坐标系，得到齐次投影向量；基于该齐次投影向量，确定其非齐次投影向量。
其中，将向量v’进行单位化得到，将/>转化至机械臂末端法兰坐标系可得齐次向量/>：
其中，的非齐次向量为/>。
本申请中，齐次坐标系是一种通过增加一个额外的维度来扩展欧几里德几何的方法。在三维空间中，一个点的齐次坐标通常表示为四维向量[x, y, z, w]。其中，x、y、z 分别表示点在三维空间中的坐标，w是一个比例因子（通常为1）。齐次投影向量（HomogeneousProjection Vector）是指除以齐次坐标中的w分量之外的其他三个分量，即 [x/w, y/w,z/w]。
本申请中，非齐次投影向量是指点在三维空间中的直角坐标，通常表示为三维向量[x, y, z]。非齐次投影向量在图形学中常用于表示点在世界坐标系或观察坐标系中的位置。
其中，齐次投影向量和非齐次投影向量都是描述点在空间中位置的方法，它们之间的转换可以通过齐次坐标系的转换公式来实现。
需要说明的是，非齐次投影向量、非齐次投影向量的反方向向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量的反方向向量的方向灵活度的计算方式是类似的，不同之处进在于使用不同的方向向量进行替换，本申请中，仅以非齐次投影向量的方向灵活度为例进行说明，其余方向向量的方向灵活度计算可以进行参考即可。
在一种实施方式中，所述非齐次投影向量的方向灵活度的计算公式为：
其中，为方向灵活度，P为构造向量，J+为当前雅可比矩阵的伪逆，/>为非齐次投影向量，Ψ为机械臂本体灵活度。
其中，要计算其他方向向量的方向灵活度，只需要替换掉非齐次投影向量即可。
在一种实施方式中，设机械臂工具中工具坐标系为。
本申请中，SE(3)是特殊欧几里得群（Special Euclidean Group）的表示，它描述了三维空间中的刚体运动。在机器人学、计算机视觉和机械工程等领域中，SE(3)常用于描述物体在三维空间中的位姿变换。
优选地，对整个非奇异评价指标的计算过程进行详细描述，具体为：
机械臂关节个数可为≥6的机械臂，根据机械臂本体运动学参数与当前关节角计算当前雅可比矩阵J(θ)，其中为当前关节角向量、n为机械臂结构中关节个数。对J进行SVD奇异值分解
其中，的单位正交矩阵，/>为对角矩阵，/>为单位正交矩阵，Σ(i,i)为对角线元素，且i小于等于6，有如下定义
其中，Ψ为机械臂本体灵活度，设机械臂工具中工具坐标系为,平面约束为：
其中，A，B，C，D为平面参数，描述了工具坐标系下截骨虚拟约束平面，有如下随机单位向量：
其中，θ、φ∈[0,2π]的随机值，投影至约束平面后可描述为
其中，n=(A,B,C)为有关平面约束参数的向量，v’将向量进行单位化得到，将转化至机械臂末端法兰坐标系可得齐次向量/>
的非齐次向量为/> 构造如下向量P：
该方向灵活度由如下计算描述：
继续计算，的方向灵活度/>，他们分别为/>的反方向，/>在约束平面上的正交向量与其反方向向量。最终可得灵活度评价指标。
本申请中，充分考虑了末端工具与约束平面以及机械臂关节空间的相关性，对当前机械臂关节角度下的末端工具平面运动做出合理的灵活度评价，预防机械臂奇异现象的发生，提高手术安全性与精度稳定性。
本申请实施例提供了一种多关节机器人非奇异评价控制装置，用于执行本申请上述内容所述的多关节机器人非奇异评价控制方法，以下对所述多关节机器人非奇异评价控制装置进行详细描述。
如图6所示，所述多关节机器人非奇异评价控制装置，包括：
参数获取模块101，其用于获取机械臂运动学参数和当前关节角；
指标计算模块102，其用于计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
机械臂控制模块103，其用于根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
在一种实施方式中，指标计算模块102还用于：
根据机械臂运动学参数和当前关节角，确定机械臂本体灵活度；生成随机单位向量；获取随机单位向量在机械臂末端法兰坐标系下的约束平面上的非齐次投影向量；计算非齐次投影向量、非齐次投影向量的反方向向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量的反方向向量的方向灵活度；基于四个向量的方向灵活度，计算非奇异评价指标。
在一种实施方式中，指标计算模块102还用于：
根据机械臂运动学参数和当前关节角计算当前雅可比矩阵；对当前雅可比矩阵进行奇异值分解，得到对角矩阵；基于对角矩阵确定机械臂本体灵活度。
在一种实施方式中，指标计算模块102还用于：
获取平面约束参数；将所述随机单位向量投影至平面约束参数对应的约束平面，得到投影后向量；将投影后向量转化至机械臂末端法兰坐标系，得到对应的非齐次投影向量。
在一种实施方式中，所述非齐次投影向量的方向灵活度的计算公式为：
其中，为方向灵活度，P为构造向量，J+为当前雅可比矩阵的伪逆，/>为非齐次投影向量，Ψ为机械臂本体灵活度。
在一种实施方式中，所述机械臂本体灵活度的计算公式为：
其中，Ψ为机械臂本体灵活度，Σ(i,i)为对角线元素，为对角矩阵，为单位正交矩阵，/>为单位正交矩阵，J(θ)为当前雅可比矩阵。
在一种实施方式中，投影后向量的计算公式为：
其中，v’为投影后向量，v为随机单位向量，θ、φ为随机值，n为平面约束的向量。
本申请的上述实施例提供的多关节机器人非奇异评价控制装置与本申请实施例提供的多关节机器人非奇异评价控制方法具有对应关系，因此该装置中的具体内容与多关节机器人非奇异评价控制方法具有对应关系，具体内容可以参照多关节机器人非奇异评价控制方法中的记录，本申请中对此不再赘述。
本申请的上述实施例提供的多关节机器人非奇异评价控制装置与本申请实施例提供的多关节机器人非奇异评价控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
以上描述了多关节机器人非奇异评价控制装置的内部功能和结构，如图7所示，实际中，该多关节机器人非奇异评价控制装置可实现为电子设备，包括：存储器301及处理器303。
存储器301，可被配置为存储程序。
另外，存储器301，还可被配置为存储其它各种数据以支持在电子设备上的操作。这些数据的示例包括用于在电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，联系人数据，电话簿数据，消息，图片，视频等。
存储器301可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器（SRAM），电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），可擦除可编程只读存储器（EPROM），可编程只读存储器（PROM），只读存储器（ROM），磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
处理器303，耦合至存储器301，用于执行存储器301中的程序，以用于：
获取机械臂运动学参数和当前关节角；
计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
在一种实施方式中，处理器303用于：
根据机械臂运动学参数和当前关节角，确定机械臂本体灵活度；生成随机单位向量；获取随机单位向量在机械臂末端法兰坐标系下的约束平面上的非齐次投影向量；计算非齐次投影向量、非齐次投影向量的反方向向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量的反方向向量的方向灵活度；基于四个向量的方向灵活度，计算非奇异评价指标。
在一种实施方式中，处理器303用于：
根据机械臂运动学参数和当前关节角计算当前雅可比矩阵；对当前雅可比矩阵进行奇异值分解，得到对角矩阵；基于对角矩阵确定机械臂本体灵活度。
在一种实施方式中，处理器303用于：
获取平面约束参数；将所述随机单位向量投影至平面约束参数对应的约束平面，得到投影后向量；将投影后向量转化至机械臂末端法兰坐标系，得到对应的非齐次投影向量。
在一种实施方式中，所述非齐次投影向量的方向灵活度的计算公式为：
其中，为方向灵活度，P为构造向量，J+为当前雅可比矩阵的伪逆，/>为非齐次投影向量，Ψ为机械臂本体灵活度。
在一种实施方式中，所述机械臂本体灵活度的计算公式为：
其中，为方向灵活度，P为构造向量，J+为当前雅可比矩阵的伪逆，/>为非齐次投影向量，Ψ为机械臂本体灵活度。
在一种实施方式中，投影后向量的计算公式为：
其中，v’为投影后向量，v为随机单位向量，θ、φ为随机值，n为平面约束的向量。
本申请中，处理器还具体用于执行上述多关节机器人非奇异评价控制方法的所有流程及步骤，具体内容可参照多关节机器人非奇异评价控制方法中的记录，本申请中对此不再赘述。
本申请中，图7中仅示意性给出部分组件，并不意味着电子设备只包括图7所示组件。
本实施例提供的电子设备，与本申请实施例提供的多关节机器人非奇异评价控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器（CPU）、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器（RAM）和/或非易失性内存等形式，如只读存储器（ROM）或闪存（Flash RAM）。内存是计算机可读介质的示例。
本申请还提供一种与前述实施方式所提供的多关节机器人非奇异评价控制方法对应的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序（即程序产品），所述计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施方式所提供的多关节机器人非奇异评价控制方法。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体（Transitory Media），如调制的数据信号和载波。
本申请的上述实施例提供的计算机可读存储介质与本申请实施例提供的多关节机器人非奇异评价控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
需要说明的是，在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种多关节机器人非奇异评价控制方法，其特征在于，包括：
获取机械臂运动学参数和当前关节角；
计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
2.根据权利要求1所述的多关节机器人非奇异评价控制方法，其特征在于，所述计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标，包括：
根据机械臂运动学参数和当前关节角，确定机械臂本体灵活度；
生成随机单位向量；
获取随机单位向量在机械臂末端法兰坐标系下的约束平面上的非齐次投影向量；
计算非齐次投影向量、非齐次投影向量的反方向向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量、非齐次投影向量在约束平面上的正交向量的反方向向量的方向灵活度；
基于四个向量的方向灵活度，计算非奇异评价指标。
3.根据权利要求2所述的多关节机器人非奇异评价控制方法，其特征在于，所述根据机械臂运动学参数和当前关节角，确定机械臂本体灵活度，包括：
根据机械臂运动学参数和当前关节角计算当前雅可比矩阵；
对当前雅可比矩阵进行奇异值分解，得到对角矩阵；
基于对角矩阵确定机械臂本体灵活度。
4.根据权利要求2所述的多关节机器人非奇异评价控制方法，其特征在于，所述获取随机单位向量在机械臂末端法兰坐标系下的约束平面上的非齐次投影向量，包括：
获取平面约束参数；
将所述随机单位向量投影至平面约束参数对应的约束平面，得到投影后向量；
将投影后向量转化至机械臂末端法兰坐标系，得到对应的非齐次投影向量。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的多关节机器人非奇异评价控制方法，其特征在于，所述非齐次投影向量的方向灵活度的计算公式为：
其中，为方向灵活度，P为构造向量，J+为当前雅可比矩阵的伪逆，/>为非齐次投影向量，Ψ为机械臂本体灵活度。
6.根据权利要求3或4所述的多关节机器人非奇异评价控制方法，其特征在于，所述机械臂本体灵活度的计算公式为：
其中，Ψ为机械臂本体灵活度，Σ(i,i)为对角线元素，为对角矩阵，/>为单位正交矩阵，/>为单位正交矩阵，J(θ)为当前雅可比矩阵。
7.根据权利要求4所述的多关节机器人非奇异评价控制方法，其特征在于，投影后向量的计算公式为：
其中，v’为投影后向量，v为随机单位向量，θ、φ为随机值，n为平面约束的向量。
8.一种多关节机器人非奇异评价控制装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，其用于获取机械臂运动学参数和当前关节角；
指标计算模块，其用于计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
机械臂控制模块，其用于根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；
所述存储器，其用于存储程序；
所述处理器，耦合至所述存储器，用于执行所述程序，以用于：
获取机械臂运动学参数和当前关节角；
计算平面约束下的当前关节角的非奇异评价指标；
根据所述非奇异评价指标，对机械臂进行操作控制。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行实现权利要求1-7任一项所述的多关节机器人非奇异评价控制方法。
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