[发明专利]一种考虑运动平稳性的冗余机器人全关节避障轨迹优化方法

说明书

本发明公开了一种考虑运动平稳性的冗余机器人全关节避障轨迹优化方法，更具体是采用五次多项式在关节空间进行插值，以得到连续且光滑的关节运动速度与加速度曲线，保证机器人实际操作的运动平稳性。同时，以球形包络障碍物为例，建立了机器人与障碍间的最小距离模型。最后建立以运动学及避障指标为约束条件，以运动时间最小为目标，以冗余关节角位移及时间为变量，建立了冗余机器人避障轨迹优化模型，为工业机器人在复杂环境中的安全平稳操作控制提供了一定的方法基础。

技术领域

本发明属于冗余机器人运动控制研究领域，涉及一种考虑运动平稳性的冗余机器人全关节避障轨迹优化方法，该方法同时考虑了运动平稳性、运动效率及可靠避障的任务要求，为冗余机器人在障碍空间内的运动控制提供一定的方法基础。

背景技术

冗余机器人作为一种关节空间维数大于任务空间维数的机器人，具有较高的运动灵活性，能够在保证运动性能的情况下满足其他特定的需求，如避障、避免奇异位形、优化关节力矩等。因此，冗余机器人在工业生产中的应用需求越来越广泛。面对复杂的障碍环境，机器人避障轨迹规划已经成为国内外学者关注的研究热点之一。避障轨迹规划是指在给定的环境条件下，规划一条由起始位置指向目标位置的无障碍路径，保证机器人运动的安全性与可靠性。目前，机器人避障的方法主要自由空间法和人工势场法两种，前者主要包括建立C空间、确定单元连通性、确定搜索方法及路径优化四个步骤，能够保证解的完备性，但在解决避障问题时存在以下问题：(1)由于需通过离散化求得C空间，为满足精度要求，所占内存量巨大；(2)当机器人关节较多时，会降低自由路径搜索效率。以上问题的存在导致自由空间法的应用受到了一定的限制。人工势场法包括建立障碍物几何模型、计算障碍物与机械臂的距离、定义势函数及求解关节驱动力四个步骤，与自由空间法相比，其对动态障碍环境的适用性较强，但仍然存在以下问题：(1)在障碍密集的情况下，由于多个吸引势函数和排斥势函数的共同作用，导致计算结果陷入局部最小，此时机器人运动将停止不前；(2)在求解距离时需简化障碍几何模型，而该简化过程会导致自由空间的浪费。此外，以上两种方法无法保证运动效率及运动平稳性。因此，提出一种冗余机器人轨迹规划方法，能够在可靠避障的同时提高运动效率并保证运动的平稳性，是本专利要解决的关键问题。

发明内容

本发明旨在提供一种考虑运动平稳性的冗余机器人轨迹优化方法。该方法的主要特点是通过采用五次多项式插值算法得到了连续且光滑的关节运动速度与加速度曲线，从而保证了运动平稳性，同时以运动学参数及避障指标为约束条件，以最小化运动时间为目标得到了优化轨迹，提高了运动效率。

本发明是采用以下技术手段实现的：一种考虑运动平稳性的冗余机器人全关节避障轨迹优化方法，该方法的实现过程如下，为冗余自由度关节角位移取初值，基于旋量理论建立冗余机器人逆解模型。

基于以上逆解模型，将机器人末端在操作空间的目标位姿映射到关节空间，得到各关节对应的最终角位移，采用五次多项式在各关节的初始角位移与最终角位移间进行插值运算，得到各关节角位移轨迹点列。

依据机器人几何结构，将其等效为由不同直径的圆柱体组成的整体，以各关节角位移轨迹点列为输入，基于旋量理论计算各圆柱体中心线端点的运动路径点位置。

以各圆柱体中心线端点位置与障碍位置矢量为参量，建立机器人与障碍间的最小距离模型，用于预估不同运动时刻的避障指标。

以冗余关节角位移、运动时间为变量，同时考虑运动学约束及障碍空间约束，以运动时间为优化目标，确定优化问题。

针对以上优化问题，采用优化算法(如粒子群算法、遗传算法等)得到优化轨迹。

本发明的特点在于提出的轨迹优化方法能够在可靠避障的同时，保证机器人运动平稳性并提高运动效率，为冗余机器人在障碍环境中的可靠避障控制提供一定的方法支撑。

附图说明

图1某八轴机器人机械臂简图；

图2末端绕关节3、4和5的旋转运动示意图；