一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法

本發(fā)明涉及機器人控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、目前在魔方結(jié)算的方法上一般都是在計算出魔方還原步驟后，直接依次序進行機械動作和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，其中所做的優(yōu)化處理也都是針對現(xiàn)有的魔方還原步驟而并未優(yōu)化魔方還原步驟的搜索過程，這種方式雖能實現(xiàn)魔方復(fù)原任務(wù)，但會導(dǎo)致機械步驟較多，沒有從全局的角度和搜索魔方還原步驟序列的角度考慮機械步驟的尋優(yōu)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種用于魔方復(fù)原的雙臂四指結(jié)構(gòu)機器人控制方法，該方法可以有效解決基于各類雙臂四指結(jié)構(gòu)機器人的魔方復(fù)原步驟優(yōu)化問題，從而充分挖掘機構(gòu)的潛力，使其快速、穩(wěn)定地完成魔方復(fù)原任務(wù)。

2、本發(fā)明技術(shù)方案為一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法，該方法的具體步驟包括：

3、步驟1：概念界定與步驟劃分；

4、在魔方還原任務(wù)中，魔方包括6個面，分別為：上面即u面、下面即d面、右面即r面、左面即l面、前面即f面、后面即b面；為優(yōu)化執(zhí)行流程，將還原步驟細(xì)化為三個階段：調(diào)整階段即調(diào)整目標(biāo)操作面至可操作位置、執(zhí)行階段即實際執(zhí)行轉(zhuǎn)動操作、復(fù)位階段即機械臂回歸初始狀態(tài)，旨在避免機械碰撞并確保操作連貫性；

5、步驟2：使用搜索算法根據(jù)魔方的初始狀態(tài)計算出所有可能的魔方還原步驟序列；每當(dāng)計算一條復(fù)原路徑時，首先整合該條復(fù)原路徑相鄰的復(fù)位階段與調(diào)整階段；旨在減少不必要的機械動作，優(yōu)化整體執(zhí)行效率；

6、步驟3：基于魔方結(jié)構(gòu)的對稱性，識別并利用可互換順序而不影響最終還原結(jié)果的對稱面操作對，每次互換產(chǎn)生新的復(fù)原路徑，通過窮舉法探索所有可能的復(fù)原路徑組合，復(fù)原路徑組合包括原復(fù)原路徑和新產(chǎn)生的復(fù)原路徑；

7、步驟4：針對每條復(fù)原路徑，當(dāng)該條復(fù)原路徑中包括對r面或l面進行操作時，產(chǎn)生兩條新的復(fù)原路徑，分別為將r面或l面旋轉(zhuǎn)至d面或?qū)面或l面旋轉(zhuǎn)至b面，此時也產(chǎn)生新的復(fù)原路徑；對于每種調(diào)整方案，采用遞歸地調(diào)用優(yōu)化算法來處理剩余的操作序列，即采用步驟2的方法將當(dāng)前步驟的復(fù)位階段與后續(xù)步驟的調(diào)整階段整合，以減少不必要的機械動作；在遞歸優(yōu)化完成后，比較兩種調(diào)整方案轉(zhuǎn)換后的機械步驟數(shù)，選擇其中步驟數(shù)更少的方案作為當(dāng)前步驟的最優(yōu)選擇；

8、步驟5：采用步驟2到步驟4的方法計算出所有的最優(yōu)路徑，比較所有復(fù)原路徑的總機械步驟數(shù)；選擇步驟數(shù)最少的那條路徑作為最終的最優(yōu)復(fù)原路徑；

9、步驟6：將得到的最優(yōu)復(fù)原路徑下發(fā)到控制器，控制器進行指令解析后對動力單元進行控制，實現(xiàn)機械臂和機械指的動作。

10、進一步的，所述步驟1中鑒于機器人操作后魔方各面坐標(biāo)狀態(tài)的動態(tài)變化特性，需實施坐標(biāo)變換以維持操作準(zhǔn)確性；鑒于機械臂單次操作僅限于影響兩個特定面，定義為“機器手臂操作面”；而待轉(zhuǎn)動的面則為“目標(biāo)操作面”；當(dāng)雙機械臂均穩(wěn)固夾持操作面時，視為“初始狀態(tài)”。

11、進一步的，所述步驟2中，如果復(fù)位階段與調(diào)整階段機械手臂為相同位置，則將這兩個階段整合在一起。

12、進一步的，所述步驟3和步驟4中都會產(chǎn)生新的路徑，當(dāng)產(chǎn)生新的路徑時，首先采用剪枝函數(shù)來計算出當(dāng)前新路徑的機械成本，若該機械成本大于閾值，則直接刪除該路徑，后續(xù)不對該路徑進行優(yōu)化計算，從新選擇其他路徑進行計算。

13、進一步的，所述剪枝函數(shù)的構(gòu)建方法為：

14、s1：生成樣本：首先，隨機生成或選擇十種以上的不同魔方還原步驟序列作為樣本；

15、s2：采用步驟2到步驟5的方法優(yōu)化對步驟s1中每個樣本進行優(yōu)化，在執(zhí)行步驟2到步驟5的方法中，當(dāng)新增加復(fù)原路徑時，記錄每個新復(fù)原路徑和舊復(fù)原路徑的最小機械成本，機械成本為機械臂的所有必要的旋轉(zhuǎn)和移動操作；

16、s3：以魔方還原步驟數(shù)為自變量，當(dāng)前的機械最小成本為因變量，給每種序列建立一個線性函數(shù)；這些線性函數(shù)表示出隨著步驟數(shù)增加，機械成本如何變化的趨勢；

17、s4：數(shù)據(jù)處理：對各種序列產(chǎn)生的線性函數(shù)的斜率和截距進行統(tǒng)計處理；首先，識別并剔除異常值，然后計算剩余斜率和截距的平均值；

18、s6：使用剩余斜率和截距的平均值定義一個通用的線性剪枝函數(shù)；這個線性剪枝函數(shù)在搜索過程中被用來預(yù)測并評估任意給定步驟數(shù)的魔方還原序列的機械成本。

19、本發(fā)明方法能夠解決雙臂四指結(jié)構(gòu)機器人在魔方復(fù)原任務(wù)中的機械動作復(fù)原的步驟優(yōu)化問題，本方法能夠允許機器人對任意打亂狀態(tài)的魔方進行機械動作復(fù)原任務(wù)。在完成任務(wù)時，首先定義關(guān)鍵操作面與操作階段，隨后構(gòu)建從魔方還原步驟到機械執(zhí)行步驟的轉(zhuǎn)換邏輯，通過整合相鄰步驟的復(fù)位與調(diào)整階段、利用對稱面變換和執(zhí)行策略的選擇來探索最優(yōu)復(fù)原路徑。接著，引入剪枝函數(shù)，基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)測未來步驟成本，減少搜索空間復(fù)雜度。最終，將優(yōu)化函數(shù)集成至搜索算法中，尋找機械步驟數(shù)最少的還原序列，并由控制器精確執(zhí)行，以高效、精準(zhǔn)地完成魔方復(fù)原任務(wù)。

技術(shù)特征：

1.一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法，該方法的具體步驟包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法，其特征在于，所述步驟1中鑒于機器人操作后魔方各面坐標(biāo)狀態(tài)的動態(tài)變化特性，需實施坐標(biāo)變換以維持操作準(zhǔn)確性；鑒于機械臂單次操作僅限于影響兩個特定面，定義為“機器手臂操作面”；而待轉(zhuǎn)動的面則為“目標(biāo)操作面”；當(dāng)雙機械臂均穩(wěn)固夾持操作面時，視為“初始狀態(tài)”。

3.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法，其特征在于，所述步驟2中，如果復(fù)位階段與調(diào)整階段機械手臂為相同位置，則將這兩個階段整合在一起。

4.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法，其特征在于，所述步驟3和步驟4中都會產(chǎn)生新的路徑，當(dāng)產(chǎn)生新的路徑時，首先采用剪枝函數(shù)來計算出當(dāng)前新路徑的機械成本，若該機械成本大于閾值，則直接刪除該路徑，后續(xù)不對該路徑進行優(yōu)化計算，從新選擇其他路徑進行計算。

5.如權(quán)利要求4所述的一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法，其特征在于，所述剪枝函數(shù)的構(gòu)建方法為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于雙臂四指解魔方機器人控制方法，涉及機器人控制領(lǐng)域。本發(fā)明方法能夠解決雙臂四指結(jié)構(gòu)機器人在魔方復(fù)原任務(wù)中的機械動作復(fù)原的步驟優(yōu)化問題，本方法能夠允許機器人對任意打亂狀態(tài)的魔方進行機械動作復(fù)原任務(wù)。在完成任務(wù)時，首先定義關(guān)鍵操作面與操作階段，隨后構(gòu)建從魔方還原步驟到機械執(zhí)行步驟的轉(zhuǎn)換邏輯，通過整合相鄰步驟的復(fù)位與調(diào)整階段、利用對稱面變換和執(zhí)行策略的選擇來探索最優(yōu)復(fù)原路徑。接著，引入剪枝函數(shù)，基于歷史數(shù)據(jù)預(yù)測未來步驟成本，減少搜索空間復(fù)雜度。最終，將優(yōu)化函數(shù)集成至搜索算法中，尋找機械步驟數(shù)最少的還原序列，并由控制器精確執(zhí)行，以高效、精準(zhǔn)地完成魔方復(fù)原任務(wù)。

技術(shù)研發(fā)人員：干偉豪,馬博,楊耀坤,方黎勇,周嫻
受保護的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6