[發明專利]一種多自由度機械臂實時避障路徑規劃系統及方法

有效

• 申請號: 202110474089.5
• 申請日: 2021-04-29
• 公開（公告）號: CN113043286B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 林雅媚;江愛朋;王浩坤;吳文浩;趙偉杰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱亞冠

本發明公開了一種多自由度機械臂實時避障路徑規劃系統及方法。該系統包括人機交互模塊、數據采集模塊、A/D轉換模塊、中央處理模塊、D/A轉換模塊、控制器。中央處理模塊是以機械臂各關節轉角變化量之和的最小值為目標函數進行優化計算的。以機械臂各關節轉角變化量之和的最小值為目標函數優化后得到的結果相比于機械臂個關節角運動的最短距離作為目標函數得到的結果更易于機械臂運動控制。該方法能夠在不影響其末端執行器需要執行的操作的前提下，規劃出一條實現對靜態、動態障礙物避障的最優路徑，且實時性高。這對機械臂在實際工作環境中工作成效具有重要意義。

技術領域

本發明屬于機械臂路徑規劃領域，涉及一種多自由度機械臂實時避障路徑規劃系統及方法。

背景技術

從世界上第一臺工業機器人誕生至今,機器人技術已經被廣泛應用到人們的工作和生活中，促進了國家生產力的提高和整個社會的進步，也促進了人們生活的改善。許多危險繁重的工業作業，例如組裝、焊接、噴漆和高溫鍛造等，都能由工業機器人替代工人完成。除了在制造業有著廣泛的應用，工業機器人也在醫療救援、物流倉儲、娛樂服務、農業采摘甚至在太空探索等領域發揮著重要的角色。除了在制造業有著廣泛的應用，工業機器人也在醫療救援、物流倉儲、娛樂服務、農業采摘甚至在太空探索等領域發揮著重要的角色。隨著機械臂的廣泛應用和工作場景復雜化程度越來越高，避障路徑規劃研究變得日益重要。在實際工作過程中，機械臂的工作環境非常復雜，外部可能存在動態的障礙物。因此，如何規劃機械臂的運動路徑，有效避開動態障礙物，對機械臂的工作成效具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是針對機械臂的作業環境中存在動態障礙物的情況(其中動態障礙物是在固定的范圍內且緩慢運動的障礙物)，提出了一種多自由度機械臂實時避障路徑規劃系統。

該系統包括人機交互模塊、數據采集模塊、A/D轉換模塊、中央處理模塊、D/A轉換模塊、控制器。

人機交互模塊用于設定機械臂相關參數，安全距離d_safe，目標狀態機械臂各關節轉角等參數，并傳送到中央處理模塊；其中機械臂相關參數包括連桿長度、連桿扭轉角、連桿偏距、關節轉角。

數據采集模塊用于對機械臂運行數據進行實時采集；機械臂運行數據包括機械臂各關節的實時轉角以及機械臂與障礙物之間的實時距離d，d是通過機械臂雷達傳感器測量所得。

中央處理模塊根據數據采集模塊和人機交互模塊傳送的數據，獲取最優目標函數值和最優變量值，并將其輸送到D/A轉換模塊；

A/D轉換模塊用于將接收到的模擬量轉換為相應的數字量，并將其輸送到中央處理模塊；

D/A轉換模塊接收到的數字量轉換成相應的模擬量，并將其輸送到控制器；

控制器用于控制機械臂各關節的驅動電機。

該方法實現了機械臂在作業環境中實時避障，提高了一定的安全性。

本發明的另一個目的是提供一種多自由度機械臂實時避障路徑規劃方法，主要步驟如下：

步驟A1、人機交互模塊將設定的機械臂相關參數，目標狀態機械臂各關節轉角以及安全距離d_safe等參數傳送到中央處理模塊；其中機械臂相關參數包括連桿長度、連桿扭轉角、連桿偏距、關節轉角。

步驟A2、數據采集模塊對機械臂運行數據進行實時采集，并通過A/D轉換模塊轉換成數字量將其輸送到中央處理模塊。機械臂運行數據包括機械臂各關節的實時轉角以及機械臂與障礙物之間的實時距離d，d是通過機械臂雷達傳感器測量所得。

步驟A3、中央處理模塊以當前狀態的機械臂各關節轉角作為初始狀態，調用優化算法、機理模型計算獲取機械臂避障的最優路徑以及最優目標函數值；

步驟A4、中央處理模塊將得到的機械臂避障的最優路徑作為設定值，通過D/A轉換模塊發送給控制器；