[发明专利]一种冗余机械臂运动障碍物避障算法

说明书

技术领域

本发明提出了一种工业机械臂的规划方法，具体涉及到一种冗余机械臂运动障碍物避障算法。

背景技术

冗余机械臂是指具有运动冗余自由度的机械臂。与普通机械臂相比，冗余机械臂具有更加灵活的运动特性，可以在完成末端轨迹跟踪任务的同时完成避障和防止关节角度超限等附加任务。冗余机械臂的避障问题一直是工业机器人领域的研究热点之一，众多学者提出了人工势场法、神经网络法、最小距离法等方法来解决冗余机械臂的避障问题，这些方法仅能解决冗余机械臂对静止障碍物的避障问题，但在实际情况中，运动障碍物对机械臂造成的威胁更大，而之前的方法却不能解决这一问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种冗余机械臂的轨迹规划方法，在保证机械臂末端轨迹跟踪精度的同时，实现对运动障碍物的避障。

为了实现上述目的，本发明提供的冗余机械臂运动障碍物避障算法，包括碰撞预测点求解、杆件躲避速度求解和关节速度求解三个过程，该方法具体步骤如下：

步骤S1：将运动障碍物简化成一个质点，将冗余机械臂的杆件简化成线段，并求得线段上距离质点最近的点作为碰撞预测点；

步骤S2：根据碰撞预测点与障碍物的相对位置和速度关系，求得各杆件的躲避速度；

步骤S3：利用雅可比转置矩阵将杆件的躲避速度转换为机械臂相应的关节角速度变量，并引入梯度投影法中，最后得到各关节角速度，实现对运动障碍物的躲避。

其中碰撞预测点求解的具体步骤如下：

步骤S11：求得沿杆件方向的单位向量；

步骤S12：利用垂直向量点积为0的性质求得碰撞预测点距杆件指定端点的距离，并用标量表示；

步骤S13：如果此距离值小于0，则碰撞预测点为该指定端点，如果距离值大于杆件的长度，则碰撞预测点为另外一个端点，如果距离值为0和杆件长度之间的任意值，碰撞预测点在杆件上，可以利用指定端点和距离值来确定其具体位置。

其中杆件躲避速度求解的具体步骤如下：

步骤S21：将运动障碍物的速度在障碍物与碰撞预测点之间的连线上进行投影，得到最短预测距离；

步骤S22：当杆件的最短预测距离大于安全阈值时，该杆件的躲避速度为0，当杆件的最短预测距离小于安全阈值时，杆件存在躲避速度，且最短预测距离越小，杆件躲避速度越大

其中关节速度求解的具体步骤如下：

步骤S31：利用机械臂的转置雅可比矩阵将杆件的躲避速度转化为相应的关节角速度变量；

步骤S32：将各关节的角速度变量引入梯度投影法中，求得关节的角速度。

针对以往冗余机械臂避障算法的不足，本发明提出了一种能够实现对运动障碍物进行躲避的避障算法，与以往研究相比，发明提出的算法具有以下特点：

(1)采用雅可比转置矩阵得到的杆件躲避速度来代替梯度投影法中单一的优化指标，实现了冗余机械臂对多个运动障碍物的躲避。

(2)考虑到运动障碍物的速度和机械臂系统反应时间，得到机械臂与障碍物的最小预测距离，用来求解对应杆件的躲避速度。

附图说明

附图1为冗余机械臂和障碍物的示意图；

附图2机械臂杆件和障碍物的简化示意图；

附图中：1-冗余度机械臂，2-运动障碍物，3-简化杆件，4-简化障碍物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提出的冗余机械臂运动障碍物避障算法包括碰撞预测点求解、杆件躲避速度求解和关节速度求解三个过程，下面分别对这个三个过程进行说明：

附图1为冗余机械臂和障碍物示意图，从图中可以看出，运动障碍物2在冗余机械臂1的工作空间内运动；

附图2为机械臂杆件和障碍物的简化示意图，从图中可以看出，简化杆件3为一条线段，是冗余机械臂1上任一杆件的简化形式；简化障碍物为一质点，是运动障碍物2的简化形式；在对碰撞预测点求解时，O点代表简化障碍物4的位置，A点和B点分别为简化杆件3的端点，C点为简化杆件3上的预测碰撞点，即杆件上距障碍物最近的点；沿AB方向的单位向量e可以用下式求出