[發明專利]一種基于三維任務空間約束的機械臂避障方法及裝置

有效

• 申請號: 202011132708.4
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112223291B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 劉鵬飛;徐妍;郭龍;楊健
• 申請（專利權）人: 哈工大機器人（合肥）國際創新研究院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 合肥市浩智運專利代理事務所(普通合伙) 34124
• 代理人: 丁瑞瑞

本發明公開了一種基于三維任務空間約束的機械臂避障方法及裝置，所述方法包括：獲取關節空間中機械臂運動路徑的起始點qs和目標點qd；初始化搜索樹RRTree1的樹根節點為起始點qs，搜索樹RRTree2的樹根節點為目標點qd，對搜索樹RRTree1進行擴展得到當前擴展關節點；依據設定的三維任務空間約束對當前擴展關節點new_point_temp進行約束更新；提取出一條從起始點qs到達目標點qd的無碰撞原始路徑；對原始路徑進行優化得到優化的路徑；根據優化后的路徑，移動六軸機械臂從起始點qs無碰撞地運動到目標點qd；本發明的優點在于：最終得到的機械臂笛卡爾構型符合機器人運動規律，路徑較為優化。

技術領域

本發明涉及機械臂自主路徑規劃技術領域，更具體涉及一種基于三維任務空間約束的機械臂避障方法及裝置。

背景技術

機械臂避障路徑規劃技術，主要解決的是在障礙物環境下的多軸機械臂自主尋找一條從給定起點到終點路徑的問題，規劃出的路徑能夠使機械臂與障礙物及自身不發生任何碰撞。現階段，避障路徑規劃分為兩大類，一種是二維環境下移動機器人的避障路徑規劃，方法已經非常豐富，主要有Dijkstra算法、A*算法、人工勢場法等，另一種是三維環境下機械臂的避障路徑規劃，多軸機械臂是一種多輸入多輸出、強耦合、非線性的高維復雜系統，若直接將上述二維的路徑規劃方法移植到機械臂上，則分別存在時間長、計算量大、易陷入局部最優等缺點。

基于隨機采樣的RRT算法速度更快，搜索能力強，不需要對障礙物進行精確建模，更適合于在機械臂關節的高維空間中進行搜索，不過正是由于隨機采樣概率完備的特點，容易出現機械臂的最終機械臂笛卡爾構型奇怪、路徑不是最優等問題。

中國專利申請號201911086247.9，公開了一種改進型動態RRT*的移動機器人運動規劃方法。該方法剔除了原RRT*算法中所有的碰撞檢測，通過在代價函數中增加碰撞風險評估分量的方法控制代價函數值。當采樣點或邊與障礙物發生碰撞時，該分量將顯著增大，促使代價函數值同步顯著增大，抑制了發生碰撞的點和邊繼續擴張的可能性，從而使算法具有避障的能力。因該方法沒有碰撞檢測，在移動機器人運動規劃問題上比RRT*算法收斂的速度更快，效率更高，在越復雜的環境中優勢越突出，但是其不涉及機械臂笛卡爾構型以及路徑優化的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于現有技術機械臂避障方法容易出現機械臂的最終機械臂笛卡爾構型奇怪以及路徑不是最優的問題。

本發明通過以下技術手段實現解決上述技術問題的：一種基于三維任務空間約束的機械臂避障方法，所述方法包括：

步驟一：獲取關節空間中機械臂運動路徑的起始點qs和目標點qd；

步驟二：雙向RRT搜索樹包括搜索樹RRTree1和搜索樹RRTree2，初始化搜索樹RRTree1的樹根節點為起始點qs，搜索樹RRTree2的樹根節點為目標點qd，對搜索樹RRTree1進行擴展得到當前擴展關節點；

步驟三：依據設定的三維任務空間約束對當前擴展關節點new_point_temp進行約束更新得到更新后的擴展關節點；

步驟四：得到更新后的擴展關節點后，進行環境障礙物及自碰撞檢測并且對雙向RRT搜索樹進行擴展，提取出一條從起始點qs到達目標點qd的無碰撞原始路徑；

步驟五：對原始路徑進行優化得到優化的路徑；

步驟六：根據優化后的路徑，移動六軸機械臂從起始點qs無碰撞地運動到目標點qd。

本發明通過在雙向RRT搜索擴展過程中施加三維任務空間約束，約束機械臂末端在指定的范圍內運動，從而得到更加優異平滑的運動規劃路徑，快速有效的實現多軸機械臂末端軌跡路徑規劃并對原始路徑進行優化得到優化的路徑，擇優后路徑具有可實施性，使得多軸機械臂具有自主規劃能力，最終機械臂笛卡爾構型符合機器人運動規律。

進一步地，所述步驟二包括：