[發明專利]一種基于改進蟻群算法的可碰撞檢測機械臂路徑規劃方法

在審

• 申請號: 202010301237.9
• 申請日: 2020-04-16
• 公開（公告）號: CN111347429A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 倪偉;葉棋偉;張粵;王子祥;徐敏;張鈺
• 申請（專利權）人: 淮陰工學院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 淮安市科文知識產權事務所 32223
• 代理人: 李鋒

本發明涉及機械臂運動學控制與規劃領域，公開了一種基于改進蟻群算法的可碰撞檢測機械臂路徑規劃方法。改進的機械臂路徑規劃方法根據建立的機械臂模型進行機械臂的運動學分析，通過修正施密特QR分解求逆方法完成空間機械臂運動學求逆解；考慮可選節點周圍障礙物的分布狀況，對蟻群算法的狀態轉移概率進行改進；采用長方體包絡法，進行機械臂與障礙物以及機械臂連桿間的碰撞檢測；機械臂末端執行器在工作空間內搜索最優路徑，進行關節轉角求解和碰撞檢測，最終實現機械臂路徑規劃。本發明方法針對機械臂路徑規劃問題，對傳統的機械臂路徑規劃蟻群算法進行改進，改進的算法具有較快的收斂速度，獲得的路徑軌跡較為合理，避障效果良好。

技術領域

本發明涉及機械臂運動學控制與規劃領域，具體涉及一種基于改進蟻群算法的可碰撞檢測機械臂路徑規劃方法。

背景技術

機械臂的路徑規劃是指在滿足工作條件的基礎上，盡可能地尋找一條從初始點到目標點距離最短且能避開障礙保證自身安全的最優路徑。路徑是指由離散點連接而成的空間曲線，并不包含時間概念，而搜尋路徑的策略稱之為路徑規劃。對于機械臂而言，路徑規劃是尋找其自身位姿的一組特定序列，無需考慮位姿的時間因素。通常情況下，路徑規劃主要包括環境建模和搜索策略兩方面的工作。其中，環境建模是將規劃空間用數學的方式表達出來，搜索策略是對路徑搜索算法的研究，軌跡是在路徑的基礎上，對構成路徑的各個節點賦予時間信息，機械臂的軌跡規劃是指給定其末端執行器的跟蹤路徑，在考慮其動力學及各種形式的約束的前提下，規劃出各個關節的位置、速度、加速度等狀態隨著時間的變化函數。

路徑規劃是一種典型的多目標優化問題，其具有以下幾種特點：

1)復雜性。當機械臂工作環境較為復雜時，尤其是在動態環境中，避障路徑的規劃十分復雜，且計算量龐大；

2)差異性。不同規劃對象、不同規劃環境以及不同規劃算法在進行路徑規劃時，其結果往往存在很大的差別；

3)多約束。規劃對象不僅受到障礙物的約束，同時也會受到自身工作范圍、速度及加速度等多方面的約束；

4)多目標。路徑規劃的評價指標往往是多個的，例如路徑最短、時間最少、能耗最低、安全系數最高等，且不同指標很難同時兼顧。

因此，針對機械臂路徑規劃問題，對傳統的機械臂路徑規劃蟻群算法進行改進，改進的算法具有較快的收斂速度，獲得的路徑軌跡較為合理，避障效果良好。

發明內容

發明目的：針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于改進蟻群算法的可碰撞檢測機械臂路徑規劃方法，通過修正施密特QR分解求逆法完成空間機械臂運動學求逆解；引入可選節點周圍安全因素對蟻群算法中的轉移概率進行改進，得到機械臂末端執行器的路徑軌跡，可以獲得較為合理的路徑軌跡，獲得良好的避障效果。

技術方案：本發明提供了一種基于改進蟻群算法的可碰撞檢測機械臂路徑規劃方法，包括如下步驟：

步驟1：建立機械臂模型，并根據建立的機械臂模型進行機械臂的運動學分析，通過修正施密特QR分解求逆方法完成空間機械臂運動學求逆解；

步驟2：考慮可選節點周圍障礙物的分布狀況，對蟻群算法的狀態轉移概率進行改進，對螞蟻k在t時刻由節點i到節點j的狀態轉移概率進行修正，計算公式為：