[發明專利]一種蛇形機器人路徑跟隨規劃方法

在審

• 申請號: 201810947211.4
• 申請日: 2018-08-20
• 公開（公告）號: CN108994836A
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 谷國迎;湯磊;朱向陽
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明公開了一種蛇形機器人路徑跟隨規劃方法，涉及蛇形機器人運動規劃與控制技術領域，包括以下主要步驟：(1)蛇形機器人路徑曲線生成；(2)蛇形機器人關節位置搜索；(3)蛇形機器人關節角度反解。本發明采用空間曲線路徑跟隨的方法規劃蛇形機器人的運動，使蛇形機器人在運動過程中在空間中掃過的區域盡量小，以便能靈活的進入狹小封閉空間開展操作；將每次尋點搜索的迭代步長保存下來作為下次尋點的估計值，可以有效減少迭代計算次；計算效率高，計算量小，編程實現簡單，可進一步用于蛇形機器人復雜空間運動的實時控制。

技術領域

本發明涉及蛇形機器人運動規劃與控制技術領域，尤其涉及一種蛇形機器人路徑跟隨規劃方法。

背景技術

蛇形機器人自由度多，非常靈活使得它可以應用與核工廠管道，飛機發動機及機翼油箱等復雜設備的檢修。但蛇形機器人自由度多，很難求得其運動學逆解，因此其運動規劃問題也較為復雜，一直是學者們研究的熱點問題；通過文獻調研發現針對蛇形機器人的運動規劃主要通過以下幾種方法解決：基于雅可比的迭代方法、幾何關系及啟發式迭代法和曲線規劃法。

蛇形機器人雖然沒有解析逆，但可以利用雅可比的廣義逆迭代運動至目標點，通常利用的雅可比迭代本質上是一個最優化過程，而雅可比的廣義逆就是這一優化問題的最優解；雅可比的迭代是在其運動學模型基礎上進行迭代優化，這類算法計算量大，效率不高，因此很多學者將機器人視為多連桿結構，直接利用循環坐標下降等幾何啟發迭代式算法獲取機器人路徑，這類算法效率高，但考慮關節等約束比較困難，而且規劃時容易陷入局部極小；曲線規劃法是指，用一條曲線來代表機械臂的位形，通過規劃不同時刻曲線的位置和形態來確定機械臂的位形，在每個時刻，控制機械臂與對應的位形曲線匹配，通常選用的曲線所含參數個數遠小于機器人的自由度數目，使得機器人運動規劃維數大大降低，但該算法使得機器人在運動時掃過的空間區域較大，不利于蛇形機器人在狹小封閉空間中開展作業。

因此，本領域的技術人員致力于開發蛇形機器人路徑跟隨規劃方法，使蛇形機器人在運動過程中在空間中掃過的區域盡量小，以便能靈活的進入狹小封閉空間開展操作。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是采用空間曲線路徑跟隨的方法規劃蛇形機器人的運動，使蛇形機器人在運動過程中在空間中掃過的區域盡量小，以便能靈活的進入狹小封閉空間開展操作。

為實現上述目的，本發明提供了蛇形機器人路徑跟隨規劃方法，包括以下主要步驟：

(1)蛇形機器人路徑曲線生成，具體為根據所述蛇形機器人在空間中所要經過的點，或者根據空間障礙物等約束信息反求所述蛇形機器人機械臂的可行路徑點，生成一條連續光滑無碰撞的路徑曲線；

(2)蛇形機器人關節位置搜索，具體為所述蛇形機器人路徑曲線生成以后，所述蛇形機器人每往前進一步，需搜索所述蛇形機器人機械臂的關節點與所述蛇形機器人路徑曲線上的匹配點；

(3)蛇形機器人關節角度反解，具體為在一個控制周期內，所述蛇形機器人機械臂的關節點確定之后，可以根據所述關節點信息以及所述蛇形機器人運動學模型反求所述蛇形機器人在該時刻下對應的關節轉角。

進一步地，所述步驟(1)包括離線預先生成和在線實時生成兩種方式。

進一步地，所述步驟(1)中所述離線預先生成具體為當所述蛇形機器人工作環境參數已知時，根據所述蛇形機器人機械臂所要經過的點和障礙的位置，確定所述蛇形機器人在空間中所要通過的關鍵點，利用樣條曲線將所述關鍵點連接起來形成所述蛇形機器人路徑曲線。

進一步地，所述步驟(1)中所述離線預先生成也可以為當所述蛇形機器人工作環境參數已知時，通過A*算法、蟻群算法等自動路徑規劃算法自動生成所述蛇形機器人路徑曲線。