Solving the analytical inverse kinematics (IK) of redundant manipulators in real time is a difficult problem in robotics since its solution for a given target pose is not unique. Moreover, choosing the optimal IK solution with respect to application-specific demands helps to improve the robustness and to increase the success rate when driving the manipulator from its current configuration towards a desired pose. This is necessary, especially in high-dynamic tasks like catching objects in mid-flights. To compute a suitable target configuration in the joint space for a given target pose in the trajectory planning context, various factors such as travel time or manipulability must be considered. However, these factors increase the complexity of the overall problem which impedes real-time implementation. In this paper, a real-time framework to compute the analytical inverse kinematics of a redundant robot is presented. To this end, the analytical IK of the redundant manipulator is parameterized by so-called redundancy parameters, which are combined with a target pose to yield a unique IK solution. Most existing works in the literature either try to approximate the direct mapping from the desired pose of the manipulator to the solution of the IK or cluster the entire workspace to find IK solutions. In contrast, the proposed framework directly learns these redundancy parameters by using a neural network (NN) that provides the optimal IK solution with respect to the manipulability and the closeness to the current robot configuration. Monte Carlo simulations show the effectiveness of the proposed approach which is accurate and real-time capable ($\approx$ \SI{32}{\micro\second}) on the KUKA LBR iiwa 14 R820.


翻译:解决冗余机械臂的解析逆运动学问题是机器人技术中的难题,这是由于对于给定的目标位姿,其解不唯一。此外,选择针对特定应用需求的最佳逆运动学解有助于提高机械臂驱动从当前位置到期望位姿的稳健性和成功率。在高动态任务中,例如在飞行中捕捉物体时,这是必要的。在轨迹规划的上下文中,为了计算关节空间中的适当目标配置,必须考虑各种因素,例如运行时间或操作性。然而,这些因素增加了整体问题的复杂性,阻碍了实时实现。本文提出了一种实时框架来计算冗余机器人的解析逆运动学。为此,通过所谓的冗余参数将冗余机械臂的解析逆运动学参数化,将其与目标位姿相结合以产生唯一的逆运动学解。在文献中,大多数现有的工作要么试图近似从机械臂的期望位姿到逆运动学解的直接映射,要么对整个工作空间进行聚类以找到逆运动学解。相比之下,所提出的框架通过使用神经网络(NN)直接学习这些冗余参数,从而提供了最佳的逆运动学解,同时考虑可操作性和接近当前机器人配置。蒙特卡罗模拟表明,所提出的方法具有准确性和实时性(约为 \SI{32}{\micro\second}),可在 KUKA LBR iiwa 14 R820 上使用。

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