[發(fā)明專利]一種超冗余機械臂分段式動態(tài)避障方法

在審

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• 申請日: 2022-11-05
• 公開（公告）號: CN115990874A
• 公開（公告）日: 2023-04-21
• 發(fā)明（設計）人: 曹政才;居仁杰;張東
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明公開了一種超冗余機械臂分段式動態(tài)避障方法。首先，針對場景中的機械臂狀態(tài)信息與觀測到的障礙物信息，建立以機械臂為中心的動態(tài)障礙預警區(qū)域。其次，當障礙物進入該區(qū)域監(jiān)測范圍內(nèi)，基于速度障礙策略構建碰撞風險評估模型，實時評估機械臂與障礙物間的碰撞可能性。再次，若存在碰撞風險，依據(jù)障礙物信息將機械臂劃分為若干避障區(qū)域，構建局部避障速度約束、關節(jié)限位約束以及連桿長度約束，求解機械臂各關節(jié)安全速度集合。最后，通過前后向迭代逆運動學求解算法實時更新機械臂位姿，進而實現(xiàn)動態(tài)障礙場景下的超冗余機械臂分段式避障。本發(fā)明充分發(fā)揮超冗余機械臂的靈活特性，使其在動態(tài)障礙場景下具有更好的適應能力。

技術領域

本發(fā)明涉及機械臂技術領域，具體為一種超冗余機械臂分段式動態(tài)避障方法。

背景技術

面向受限空間、危險環(huán)境和復雜任務下的機器人作業(yè)，傳統(tǒng)工業(yè)機械臂由于尺寸、驅(qū)動配置和自由度的限制而難以滿足復雜工況下的應用需求。而超冗余機械臂依托仿生蛇類機理，通過融合蛇類脊椎骨結(jié)構與運動特性，具備長徑比大、冗余度高、柔順性強、可達域廣等特點和優(yōu)越的連續(xù)彎曲與避障能力，在航空航天、核電等大型精密化設備深腔檢測作業(yè)中可發(fā)揮不可替代的作用。

超冗余機械臂的靈活控制需要更完整、更高效的運動與避障策略，然而，冗余的自由度導致機械臂的控制難度成倍增長，且傳統(tǒng)機械臂的避障算法存在規(guī)劃決策效率低、對環(huán)境動態(tài)響應慢等缺陷，難以直接應用于超冗余機械臂。此外，機械臂各關節(jié)之間的配合關系具有強耦合性，單個連桿的變化會致使其余多個連桿的姿態(tài)調(diào)整，極大制約了超冗余蛇形機械臂的避障能力。

近年來，一系列超冗余機械臂的避障方法已被提出，主要分為以下幾種：①基于人工勢場法的方法，通過引入目標引力場與障礙物產(chǎn)生的斥力場，驅(qū)動機械臂避開障礙，但計算時易陷入局部力平衡狀態(tài)，尤其當多個障礙同時作用時算法會失效；②基于C空間規(guī)劃的方法，先根據(jù)機械臂的狀態(tài)特征建立機械臂所有可行C空間，再將障礙物映射到C空間內(nèi)，進一步規(guī)劃出C空間的無碰軌跡，但隨著機械臂冗余度的增加，該方法求解效率低，難以實現(xiàn)實時避障需求；③基于末端跟隨的方法，根據(jù)既定場景規(guī)劃出一條無碰軌跡，并通過末端主動、余下關節(jié)節(jié)點從動的方式避開障礙，但該方法多應用于已知靜態(tài)障礙物，缺乏對動態(tài)障礙物的適應能力。上述避障策略并不能在保證求解效率的情況下有效解決超冗余機械臂的動態(tài)避障問題。

基于此，本發(fā)明提供了一種超冗余機械臂分段式動態(tài)避障方法。

發(fā)明內(nèi)容

以下給出一個或多個方面的主要概述以應對這些方面的基本理解。此概述不能將所有的構想進行詳述，其唯一的目的是要以簡化形式給出一個或多個方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細的描述之序。

本發(fā)明提供一種超冗余機械臂分段式動態(tài)避障方法，包含以下步驟：

步驟1：針對場景中的機械臂狀態(tài)信息與觀測到的障礙物信息，建立以機械臂為中心的動態(tài)障礙預警區(qū)域。

步驟1.1：從三維捕捉系統(tǒng)與機械臂關節(jié)內(nèi)部陀螺儀獲取機械臂的狀態(tài)信息：幾何構型、機械臂臂型姿態(tài)、第i節(jié)機械臂連桿速度v_Li，與障礙物信息：幾何構型、障礙物當前速度v_o，其中，i＝1，2，…，n，n表示超冗余機械臂連桿數(shù)量。

步驟1.2：利用封閉式橢球體將機械臂各連桿進行包覆，記包覆第i節(jié)機械臂連桿的封閉式橢球體為根據(jù)障礙物幾何構型利用封閉式凸幾何體對障礙物進行包覆，記包覆障礙物的封閉式凸幾何體為

步驟1.3：將連桿進行簡化，以障礙物質(zhì)心為中心構建各連桿與障礙物間的封閉式閔可夫斯基和，記為：

式中，用表示閔可夫斯基和運算，表示取區(qū)域內(nèi)任意一點x，表示取區(qū)域內(nèi)任意一點y。