[發明專利]一種基于導航路徑約束的柔性機器人路徑規劃方法

在審

• 申請號: 202210798681.5
• 申請日: 2022-07-08
• 公開（公告）號: CN115061475A
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 齊飛;裴海珊;朱靖;張恒;邵笑校
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 張秋月

本發明涉及路徑規劃技術領域，尤其涉及一種基于導航路徑約束的柔性機器人路徑規劃方法，包括：對機器人的參數進行初始化設定；將機器人的起始點與目標點之間的理想路徑曲線均勻離散；根據理想路徑曲線上的各離散點以及離散點的主法線、副法線和切線構建機器人實際步進點在基坐標系的位姿矩陣；基于距離函數求解機器人末端彎曲單元的關節參數；基于逆向遞推法求解機器人其他彎曲單元的關節參數。本發明控制連續檢測機器人在三維空間中沿著預設路徑進行跟隨運動，具有較高的控制精度與較強的適應性。

技術領域

本發明涉及路徑規劃技術領域，尤其涉及一種基于導航路徑約束的柔性機器人路徑規劃方法。

背景技術

連續體機器人(簡稱機器人)是一種新型仿生機器人，與傳統工業機器人不同，其系統結構不包含剛性連桿及可識別的旋轉關節，而是依靠連續彎曲結構或彈性骨架，通過某種驅動方式(如繩驅動、鎳鈦合金絲或氣壓驅動等)進行彎曲運動而產生操作臂的結構變形，因此具有其獨特的柔順性、靈活性和安全性等特點，非常適用于復雜狹小的工作空間，如飛機油箱檢修、震后救援、核泄漏檢修及微創手術等領域。

由于連續體機器人結構的高柔順性及超冗余自由度的特點，傳統工業機器人的運動規劃方法不再適用于連續體機器人，很多研究學者針對連續體機器人提出了新的路徑規劃方法。有部分學者提出基于連續體機器人逆運動學的路徑規劃方法，可以實現對較少關節的機器人的運動規劃，然而路徑規劃方法整體計算量大，推廣到多關節控制時相對困難；有提出利用傳感器進行機器人路徑規劃的方法，但對于傳感器的安裝等要求相對較高，不具有普遍性；還有提出簡化機器人搜索空間前向路徑搜索的路徑規劃方法，將三維簡化為二維，雖然可以簡化路徑難度，但是只適用于平面，限制了連續體機器人在復雜空間環境中的應用，如在空間腔內的探索，雜亂環境中對物體的抓取等。因此，機器人運動規劃是制約其深入研究和快速發展的重要難題。

發明內容

針對現有算法的不足，本發明控制連續檢測機器人在三維空間中沿著預設路徑進行跟隨運動，具有較高的控制精度與較強的適應性。

本發明所采用的技術方案是：一種基于導航路徑約束的柔性機器人路徑規劃方法包括以下步驟：

步驟一、對機器人的參數進行初始化設定，包括：關節段數、關節長度、彎曲單元彎曲角、旋轉角、起始點和目標點；

步驟二、將機器人的起始點與目標點之間的理想路徑曲線均勻離散，并控制機器人從初始零位開始步進；

步驟三、根據理想路徑曲線上的各離散點以及離散點的主法線、副法線和切線構建機器人實際步進點在基坐標系的位姿矩陣；

進一步的，具體包括：

設理想路徑曲線上距離機器人最近的離散點設為M，s為理想路徑的起點到M點的弧長，則曲線在點M處的切向量為：

其中，t為切向量，曲線上點M處的徑矢為

如果則M點處的切向量和位置向量唯一確定一個密切平面，密切平面方程為：

其中，為副法線方程；副法線標準方程表示為：

在已知切向量和副法線向量的情況下，M點處主法線通過右手定則求解為：

其中，為主法線向量；

機器人沿著理想路徑曲線前進弧長s₀時，機器人實際步進點相對于基坐標系的齊次變換矩陣為：

其中，M_m為M點在基坐標系下的位置坐標；