EMSA-IK: a real-time evolutionary multi-objective semi-analytical inverse kinematics algorithm for redundant manipulators

反向动力学 运动学 反向 计算机科学 算法 控制理论(社会学) 数学优化 数学 人工智能 几何学 物理 经典力学 控制(管理)
作者
Zhaoyang Chen,Kang Min,Xinyang Fan,Baoxu Tu,Fenglei Ni,Hong Liu
出处
期刊:Industrial Robot-an International Journal [Emerald (MCB UP)]
卷期号:52 (2): 249-257 被引量:1
标识
DOI:10.1108/ir-08-2024-0355
摘要

Purpose This paper aims to propose a real-time evolutionary multi-objective semi-analytical inverse kinematics (IK) algorithm (EMSA-IK) for solving the multi-objective IK of redundant manipulators. Design/methodology/approach Within EMSA-IK, the parameterization method is applied to reduce the number of optimization variables of the evolutionary algorithm and calculate semi-analytical solutions that meet high target pose accuracy. The original evolutionary algorithm is improved with the proposed adaptive search sub-space strategy so that the improved evolutionary algorithm can be used to efficiently perform global search within the parametric joint space to obtain the global optimal parametric joint angles that satisfy multi-objective constraints. Findings Ablation experiments show the effectiveness of the improved strategy used for evolutionary algorithms. Comparative experiments on different manipulators demonstrate the advantages of EMSA-IK in terms of generalizability and balancing multiple objectives, for example, motion continuity, joint limits and obstacle avoidance. Real-world experiments further validate the effectiveness of the proposed algorithm for real-time application. Originality/value The semi-analytical IK solution that simultaneously satisfies high target pose accuracy and multi-objective constraints can be obtained in real time. Compared to existing semi-analytical IK algorithms, the proposed algorithm achieves obstacle avoidance for the first time. The proposed algorithm demonstrates superior generalizability, applicable to not only redundant manipulators with revolute joints but also those with prismatic joints.

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