[發明專利]一種考慮運動平穩性的冗余機器人全關節避障軌跡優化方法

有效

• 申請號: 201910242408.2
• 申請日: 2019-03-28
• 公開（公告）號: CN109968358B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 劉志峰;許靜靜;裴艷虎;趙永勝
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種考慮運動平穩性的冗余機器人全關節避障軌跡優化方法，更具體是采用五次多項式在關節空間進行插值，以得到連續且光滑的關節運動速度與加速度曲線，保證機器人實際操作的運動平穩性。同時，以球形包絡障礙物為例，建立了機器人與障礙間的最小距離模型。最后建立以運動學及避障指標為約束條件，以運動時間最小為目標，以冗余關節角位移及時間為變量，建立了冗余機器人避障軌跡優化模型，為工業機器人在復雜環境中的安全平穩操作控制提供了一定的方法基礎。

技術領域

本發明屬于冗余機器人運動控制研究領域，涉及一種考慮運動平穩性的冗余機器人全關節避障軌跡優化方法，該方法同時考慮了運動平穩性、運動效率及可靠避障的任務要求，為冗余機器人在障礙空間內的運動控制提供一定的方法基礎。

背景技術

冗余機器人作為一種關節空間維數大于任務空間維數的機器人，具有較高的運動靈活性，能夠在保證運動性能的情況下滿足其他特定的需求，如避障、避免奇異位形、優化關節力矩等。因此，冗余機器人在工業生產中的應用需求越來越廣泛。面對復雜的障礙環境，機器人避障軌跡規劃已經成為國內外學者關注的研究熱點之一。避障軌跡規劃是指在給定的環境條件下，規劃一條由起始位置指向目標位置的無障礙路徑，保證機器人運動的安全性與可靠性。目前，機器人避障的方法主要自由空間法和人工勢場法兩種，前者主要包括建立C空間、確定單元連通性、確定搜索方法及路徑優化四個步驟，能夠保證解的完備性，但在解決避障問題時存在以下問題：(1)由于需通過離散化求得C空間，為滿足精度要求，所占內存量巨大；(2)當機器人關節較多時，會降低自由路徑搜索效率。以上問題的存在導致自由空間法的應用受到了一定的限制。人工勢場法包括建立障礙物幾何模型、計算障礙物與機械臂的距離、定義勢函數及求解關節驅動力四個步驟，與自由空間法相比，其對動態障礙環境的適用性較強，但仍然存在以下問題：(1)在障礙密集的情況下，由于多個吸引勢函數和排斥勢函數的共同作用，導致計算結果陷入局部最小，此時機器人運動將停止不前；(2)在求解距離時需簡化障礙幾何模型，而該簡化過程會導致自由空間的浪費。此外，以上兩種方法無法保證運動效率及運動平穩性。因此，提出一種冗余機器人軌跡規劃方法，能夠在可靠避障的同時提高運動效率并保證運動的平穩性，是本專利要解決的關鍵問題。

發明內容

本發明旨在提供一種考慮運動平穩性的冗余機器人軌跡優化方法。該方法的主要特點是通過采用五次多項式插值算法得到了連續且光滑的關節運動速度與加速度曲線，從而保證了運動平穩性，同時以運動學參數及避障指標為約束條件，以最小化運動時間為目標得到了優化軌跡，提高了運動效率。

本發明是采用以下技術手段實現的：一種考慮運動平穩性的冗余機器人全關節避障軌跡優化方法，該方法的實現過程如下，為冗余自由度關節角位移取初值，基于旋量理論建立冗余機器人逆解模型。

基于以上逆解模型，將機器人末端在操作空間的目標位姿映射到關節空間，得到各關節對應的最終角位移，采用五次多項式在各關節的初始角位移與最終角位移間進行插值運算，得到各關節角位移軌跡點列。

依據機器人幾何結構，將其等效為由不同直徑的圓柱體組成的整體，以各關節角位移軌跡點列為輸入，基于旋量理論計算各圓柱體中心線端點的運動路徑點位置。

以各圓柱體中心線端點位置與障礙位置矢量為參量，建立機器人與障礙間的最小距離模型，用于預估不同運動時刻的避障指標。

以冗余關節角位移、運動時間為變量，同時考慮運動學約束及障礙空間約束，以運動時間為優化目標，確定優化問題。

針對以上優化問題，采用優化算法(如粒子群算法、遺傳算法等)得到優化軌跡。

本發明的特點在于提出的軌跡優化方法能夠在可靠避障的同時，保證機器人運動平穩性并提高運動效率，為冗余機器人在障礙環境中的可靠避障控制提供一定的方法支撐。

附圖說明

圖1某八軸機器人機械臂簡圖；

圖2末端繞關節3、4和5的旋轉運動示意圖；