[發(fā)明專利]動(dòng)態(tài)環(huán)境下協(xié)作機(jī)器人柔性路徑規(guī)劃方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010866965.4
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號(hào): CN112000099A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉倩;黃珊;畢冉;陳銳;張強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下協(xié)作機(jī)器人柔性路徑規(guī)劃方法，使機(jī)器人在障礙物動(dòng)態(tài)變化環(huán)境下既能保證安全性，又具有主觀能動(dòng)性。本發(fā)明根據(jù)實(shí)際環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃系統(tǒng)適用于室內(nèi)人機(jī)協(xié)作工廠。搭建語義分割模型并采用標(biāo)注好的真實(shí)室內(nèi)環(huán)境圖片進(jìn)行訓(xùn)練，然后將結(jié)果與邊緣檢測相結(jié)合，獲得的模型結(jié)果精度較高，能夠準(zhǔn)確的將環(huán)境模型與實(shí)際環(huán)境匹配，保證路徑規(guī)劃的安全性。使用目標(biāo)選擇概率調(diào)整RRT*算法的搜索速度，通過剪枝操作使得到的路徑更簡潔并提高了效率。將真實(shí)的環(huán)境模擬為人造引力場，并利用斥力作用引導(dǎo)機(jī)器人快速躲避障礙物，該方法能在100毫秒內(nèi)獲得修正的路徑，保證了機(jī)器人前進(jìn)途中的安全。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高隨機(jī)性動(dòng)態(tài)環(huán)境中協(xié)作機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)機(jī)器人的迅猛發(fā)展，人機(jī)協(xié)作已逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的主要工作模式。

傳統(tǒng)的人與機(jī)器的工作模式中，為了保證人類工作者的安全，將機(jī)器人隔離開來，二者各自完成工作。但是這種模式下，機(jī)器人能完成的工作種類有限，且適應(yīng)性、靈活性差，并未給人類工作者帶來實(shí)質(zhì)上的幫助。在新一代人與機(jī)器的工作模式中，人與機(jī)器協(xié)同工作，互相幫助，可以實(shí)現(xiàn)安全的人機(jī)交互，具有高效生產(chǎn)、高靈活性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。由于機(jī)器人并不能完全代替人，在很多工作上還是需要人來支配，所以人和機(jī)器共同協(xié)作才是未來的趨勢，并且利用協(xié)作機(jī)器人能夠進(jìn)一步縮短產(chǎn)品的周期，提高生產(chǎn)效率。人機(jī)協(xié)作機(jī)器人將開啟人和機(jī)器協(xié)同工作的新時(shí)代。

人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)中機(jī)器人與人的交互即機(jī)器人的移動(dòng)給機(jī)器人技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，因?yàn)闄C(jī)器人和人類工作者在系統(tǒng)中直接相互作用。人與機(jī)器人之間成功合作的先決條件是保證人類的安全。同時(shí)，確保機(jī)器人與人類以最佳性能協(xié)作也是重要的，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)應(yīng)該既安全又高效。在定義明確且具有確定性的環(huán)境中，現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)安全性并且保證效率，比如讓機(jī)器人沿著固定軌道到達(dá)固定位置。然而，與人類工作者的互動(dòng)給系統(tǒng)帶來了很多不確定性。此外，機(jī)載計(jì)算能力受到限制，以限制機(jī)器人在實(shí)時(shí)交互期間能夠考慮的可能的情況。這些都是開發(fā)協(xié)同機(jī)器人面臨的主要挑戰(zhàn)。

動(dòng)態(tài)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在工業(yè)系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)作工廠中，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的兩大挑戰(zhàn)是安全和效率。為了保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的安全，不僅要確保機(jī)器人無碰撞，還必須設(shè)置安全距離，即機(jī)器人在移動(dòng)過程中能夠與環(huán)境中的其他事物、或者人保持一定的距離。此外，有些障礙物并不是靜止的，例如其他移動(dòng)機(jī)器人與人類工作者。因此，必須排除與移動(dòng)事物碰撞的危險(xiǎn)，在機(jī)器人沿著規(guī)劃好的路徑前進(jìn)時(shí)需要時(shí)刻關(guān)注周圍環(huán)境，注意下一步是否仍然安全。檢測到碰撞即停止的控制方式使機(jī)器人喪失主觀能動(dòng)性，導(dǎo)致機(jī)器人的暫停工作，降低了工作效率。因此，檢測到碰撞之后必須及時(shí)做出反應(yīng)，適當(dāng)?shù)馗淖兟窂剑皇峭Ｖ骨斑M(jìn)或隨意改變方向。

因此，在計(jì)算能力有限且環(huán)境動(dòng)態(tài)不確定的情況下控制協(xié)同機(jī)器人的行為，以便在保證安全的同時(shí)最大化任務(wù)效率是必要的，是人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)的成功開發(fā)面臨的首要挑戰(zhàn)。研究機(jī)器人柔性路徑規(guī)劃方法，使機(jī)器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中不但能保持自身的主觀能動(dòng)性，又能夠保證安全性和高效性到達(dá)目的地是必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要解決人機(jī)協(xié)作機(jī)器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題，提出融合快速搜索隨機(jī)樹與人工勢場的路徑搜索算法，構(gòu)建了機(jī)器人柔性路徑規(guī)劃策略與方法，使機(jī)器人在障礙物動(dòng)態(tài)變化環(huán)境下既能保證安全性，又具有主觀能動(dòng)性，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了障礙物動(dòng)態(tài)變化環(huán)境中，不改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度前提下，100毫秒級(jí)安全避障。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

動(dòng)態(tài)環(huán)境下協(xié)作機(jī)器人柔性路徑規(guī)劃方法，步驟如下：