[發明專利]一種基于隨機采樣的雙臂空間機器人協調路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202010104807.5
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111251297B
• 公開（公告）日: 2023-02-07
• 發明（設計）人: 王明明;余敏;羅建軍;馬衛華;朱戰霞;袁建平
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種基于隨機采樣的雙臂空間機器人協調路徑規劃方法，借助RRT*算法分別規劃雙臂末端執行器在笛卡爾空間中的初始可行路徑，并利用四次樣條曲線對RRT*算法生成的初始路徑進行平滑處理，通過滿足樣條曲線的一階、二階及三階微分連續約束和機械臂末端執行器的初末速度、加速度約束，得到適合于機器人執行的平滑路徑。有益效果：利用RRT*算法在非結構化環境中快速生成末端的安全可行的初始路徑，并利用四次樣條曲線，平滑了RRT*生成的初始路徑，保證機器人以良好的狀態執行規劃的路徑，且考慮了機械臂的物理極限約束。仿真結果說明了所提協調路徑規劃方法的有效性。對于機械臂運動規劃具有重要意義，特別是針對失效衛星的抓捕路徑規劃。

技術領域

本發明屬于空間機器人協調路徑規劃方法，涉及一種基于隨機采樣的雙臂空間機器人協調路徑規劃方法。

背景技術

隨著在軌維修、空間裝配等任務需求的與日俱增，空間機器人技術被驗證是執行特殊惡劣空間環境下任務最有效的手段之一。典型實例有“工程試驗衛星(EngineeringTest Satellite VII,ETS-VII)”和“軌道快車(Orbit Express,OE)”。空間機器人在軌服務中最具挑戰性的工作之一是其抓捕過程中的運動規劃問題。過去的文獻中已提出過多種空間機器人運動規劃方法。基于零作用空間，Yoshida等人提出了無反作用機械臂，解決了運動學非冗余臂和冗余臂時間損失和機械臂速度限制的問題。基于零反作用空間的概念，Wang等提出了一種考慮任務優先級的運動學冗余機械臂路徑規劃方法，并基于Bézier曲線提出抓捕自旋衛星后的最優消旋與路徑規劃策略。Luo等提出了一種利用傅里葉級數對空間機械臂關節運動軌跡進行參數化的規劃方法。Xu等利用自由漂浮空間機器人非完整特性提出了一種點到點的路徑規劃方法，同時調節基座姿態和末端的位姿。Nakamura最早在機器人學中引入了任務優先級的概念，基于二次規劃框架，僅考慮兩個優先級水平，解決了冗余機械臂關節軌跡優化問題。隨著越來越多的操作任務需要在非結構化環境下進行，因此非結構化環境下的機器人自主導航控制技術成為亟需。

近年來，基于隨機采樣的規劃方法在機器人領域中興起，它適合于解決高自由度機器人在復雜環境中的規劃問題，而且對帶有微分約束的規劃問題也具有較強的解決能力。例如，RRT算法，其本質上是單一查詢的規劃方法，其基本算法的主要思想是：由起始位形點出發構造搜索樹，而后再從整個位形空間中隨機選擇一個位形點，找出與該點在搜索樹中最近的位形點，以此不斷的產生新位形狀態，直到到達目標，搜索樹構造結束。由于在搜索樹構造過程中可以充分考慮了多種微分約束(如非完整約束、運動動力學約束等)，因而獲得的規劃結果合理性較強。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于隨機采樣的雙臂空間機器人協調路徑規劃方法，基于RRT*算法提出一種復雜空間環境下雙臂空間機器人的協調路徑規劃方法。

技術方案

一種基于隨機采樣的雙臂空間機器人協調路徑規劃方法，包括了雙臂空間機器人的運動學模型建立；通過改進RRT*算法，設計雙臂空間機器人的初始路徑；利用四次樣條曲線擬合由改進RRT*算法生成的初始路徑，得到適合于機器人執行的可行平滑路徑；其特征在于步驟如下：

步驟1、建立雙臂空間機器人的運動學模型：

雙臂空間機器人系統由基座和2個n自由度的機械臂構成，共計2n+1個剛體，且系統不受任何外力作用；

根據泊松原理，雙臂空間機器人的運動學模型為：