[发明专利]基于人工势场引力因子的机械臂最优避障控制方法及装置

说明书

本发明涉及一种基于人工势场引力因子的机械臂最优避障控制方法及装置，方法包括以下步骤：1)设置初始化模型位置和引力因子的初始值；2)采用人工势场算法计算机械臂末端所受到的引力和斥力；3)基于初始化模型位置及步骤2)，利用引力和斥力获得机械臂末端路径点集合；4)获取机械臂末端路径点集合中的点与障碍物中心位置的最短距离及机械臂末端终止位置，并基于模型约束条件获得最短避障路径模型描述；5)基于最短避障路径模型描述构建避障路径目标函数，采用最优化方法迭代求解避障路径目标函数的零值，获得机械臂最优路径点的集合。与现有技术相比，本发明具有实时性和鲁棒性好等优点，能够适应障碍物位置和大小的变化，实现最优避障。

技术领域

本发明属于机械臂路径规划方法，具体涉及一种基于人工势场引力因子的机械臂最优避障控制方法及装置。

背景技术

随着工业机器人的发展，其生产技术逐步提高，成本也相对降低，这让像“人”一样的仿生机器人(例如机械臂)进入人们生活中的门槛越来越低。比如KUKA公司的iiwa、Kinova公司的jaco、Rethink robotics公司的Saywer等机械臂的宜人化、灵巧化，让社会生活、工作等等变得越来越灵活和智能的美好愿望变得更为可能。这类服务性机械臂慢慢的从一种工器业机人，人与机器人之间使用与被使用，替代与被替代的方式转变成一种融入人的生产、生活环境当中，能够与人和谐的共同合作的机器人。因此，如何能够让机械臂安全、便捷的与人类共同合作是值得人们关注的重要问题，而机械臂安全避障是达到人机共融的基础和研究热点。

人工势场法最早是由Khatib提出的一种局部路径规划方法，其基本思想是将机器人在环境中运动视为一种机器人在虚拟的人工受力场中运动，障碍物对移动机器人产生斥力，目标点对移动机器人产生引力，斥力和引力的合力作为控制机器人向目标点运动的力。由于目标点被设计为合力的全局最小点，因此在合力的作用下，理论上机器人可以到达目标点，但其存在目标不可达和局部极小值问题。文献“汪首坤,朱磊,王军政.基于导航势函数法的六自由度机械臂避障路径规划.北京理工大学学报,2015,35(2):186-191”运用几何法与人工势场法相结合解决传统人工势场法的局部极小值陷阱问题。运用了逆运动学的方法对机械整体进行路径规划，然而，此方法需要从8组逆解中进行筛选，效率比较低，实时性较差。文献“王俊龙,张国良,羊帆,敬斌等.改进人工势场法的机械臂避障路径规划.计算机工程与应用,2013,49(21):266-270”在人工势场法陷入局部极小值时，通过添加虚拟障碍物改变整个人工势场解决问题。该方法的实现必须在通过其他的方法得到一组“合理”的关节角度解，但在实时应用中难以选取“合理”的解。在移动机器人避障方面如何改进人工势场法的局部性缺点有众多的公开文献，而对于针对以人工势场引力因子实现能够适应障碍物位置和大小的变化，满足机械臂末端在最优状态下避障的要求尚无公开的类似文献。因此，设计一种基于人工势场引力因子的机械臂最优避障方法，实现机械臂对于不同位置和大小的障碍物，具有多条避障路径，如何获取最优的避障路径具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于人工势场引力因子的机械臂最优避障控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于人工势场引力因子的机械臂最优避障控制方法，包括以下步骤：

1)设置初始化模型位置和引力因子的初始值；

2)根据步骤1)，采用人工势场算法计算机械臂末端所受到的引力和斥力；

3)基于所述初始化模型位置及步骤2)，利用引力和斥力获得机械臂末端路径点集合；

4)获取所述机械臂末端路径点集合中的点与障碍物中心位置的最短距离及机械臂末端终止位置，并基于模型约束条件获得最短避障路径模型描述；