[发明专利]一种基于切线递推的机器人平滑避障运动规划方法

说明书

本发明实施例公开了一种基于切线递推的机器人平滑避障运动规划方法，适用于超冗余机器人，包括以下步骤：首先在任务空间建立球型障碍物，向障碍物做递推切线相交于安全距离圆，获得规避障碍物的无碰撞路径点。然后，运用脊线模态法求得超冗余机器人的位置逆解，得到与无碰路径点对应的关节空间位姿。最后，对位姿进行七次B样条插值，得到机器人平滑的避障运动路径。本发明求解得到的机器人运动路径平滑，且运动过程中机器人各驱动关节速度、加速度和跃度连续无突变。随着机器人冗余度的增加，该方法计算量小的优势更为明显。

技术领域

本发明涉及一种机器人路径规划方法，尤其涉及一种基于切线递推的机器人平滑避障运动规划方法。

背景技术

超冗余机器人能够有效弥补传统机器人自由度少、避障能力不足、灵活性差等缺点，是近年来国内外的研究热点之一，其应用范围已不再局限于传统的工业生产线。机器人在星际航空、水下探测、疾病检查、管道维护、抗险救灾等变化环境中的应用越来越广泛。随着机器人的广泛应用，变化的环境也对机器人的避障能力提出了要求。随着冗余度的增加，超冗余机器人结构越发复杂，运动学求解的计算量不断增大，求解也愈加困难，其运动平稳也难以保证。为了降低机器人运行过程的振动和冲击，延长机器人的使用寿命，应对不断变化的环境，超冗余机器人的平滑避障运动轨迹规划是有必要的。

机器人的避障运动规划是指在有障碍物的复杂环境中规划机器人的无碰撞路径。常用的无碰撞运动规划方法有：自由空间法、单元分解法、路径地图法、人工势场法以及基于采样的规划方法诸如概率地图和快速扩展随机树等。超冗余机器人的避障路径规划方法常用人工势场法和基于采样的规划法。在实际中通常会在满足约束的条件下进行路径规划，再利用各种优化方法研究时间最短、驱动力矩最小的规划方法，或者综合最优为指标进行优化。以上方法多在任务空间规划路径，得到运动平滑的轨迹计算较复杂。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于切线递推的机器人平滑避障运动规划方法，使得超冗余机器人避障计算量小、轨迹平滑且各驱动关节速度、加速度和跃度连续无突变。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于切线递推的机器人平滑避障运动规划方法，包括以下步骤：

S1：任务空间建立球型障碍物，根据起始点、目标点及障碍物信息确定无碰撞轨迹中的关键路径点；

S2：使用模态脊线法逆解求得所述关键路径点对应的一系列关节空间位姿；

S3：对机器人的每个关节空间状态进行插值，得到平滑避障运动路径。

进一步地，所述关键路径点的确定方式为切线递推的方式。

更进一步地，所述模态脊线法逆解通过以下表达式进行：

其中，s∈[0,1]，L表示曲线弧长，κ(δ)表示曲线在点δ处的切向量。

更进一步地，所述切向量κ(s)表示为：

κ(s)＝[cosα(s)sinβ(s),sinα(s)sinβ(s),cosβ(s)]^T

其中，α(s)表示κ(s)在x_kO_ky_k平面的投影与y轴正方向的夹角，β(s)表示κ(s)与x_kO_ky_k平面的夹角，函数α(s)和β(s)表达式为：