[发明专利]基于改进人工势场法的人机安全避障路径规划方法

说明书

本发明针对不同的障碍物与机械臂的速度关系，分别建立斥力场向量函数，并利用Pivot算法改进斥力场向量函数。首先，本发明通过Kinetic相机，获取障碍物，目标点以及机械臂的位姿关系。其次，本发明通过在机械臂末端执行器构造边界球，判断障碍物是否进入边界球并执行避障任务，定义引力场向量函数，再根据障碍物与机械臂的速度关系定义斥力场向量函数，主要考虑以下情况：1)障碍物快速接近机械臂，当速度v_H＞v_{robot_end}m/s，所规划的新路径不能保证人体的安全，机械臂根据人的运动方向，通过Pivot算法优化斥力场向量函数；2)障碍物缓慢接近机械臂，当速度v_H＜v_{robot_end}m/s，使用传统的斥力场向量函数。最后对引力以及斥力进行矢量合成，进行轨迹规划，生成避免碰撞的新路径，当机械臂陷入局部最小值时，引入时间因子，对机械臂产生一定扰动，快速脱离。如果人突然加速，应该对第一种情况做出反应。

技术领域

本发明涉及工业环境下机械臂路径规划领域，尤其涉及一种基于改进的人工势场法的人机安全动态避障路径规划方法。

背景技术

在传统的工业领域中，机械臂通常被用在静态环境下完成重复的喷涂、装配、焊接以及运输等任务，这些任务的基本操作是抓取对象。当操作人员进入工作环境参与机械臂任务或者机械臂操作环境成为动态时，机械臂需要实时检测变化，然后调整运动路径，保证人机安全并完成抓取任务。

人工势场法是一种典型的局部路径规划方法，其基本思想是在机器人的工作环境中构造一个人工势场，将不希望进入工作环境的障碍物定义为斥力场，操作目标定义为引力场，使势场中的机器人受到目标和障碍物的相互影响，完成避障和抓取任务。然而，人工势场法通常存在局部极小值问题，并且在多连杆结构的机械臂上应用困难。刘山等人通过直接在笛卡尔空间上构造吸引速度和排斥速度(刘山；谢龙.一种基于改进人工势场法的多自由度机械臂动态避障路径规划方法[P].中国专利：CN108326849A，2018-07-27)，避免了笛卡尔空间障碍物到机械臂关节空间的映射，使人工势场法能够适用于多自由度机械臂。李玉齐等人通过最小二叉堆排序提高A^*搜索最小估计代价的效率(李玉齐；林森阳；鲍海峰；王玉林；王博；肖洒.基于优化A^*的人工势场机械臂三维避障路径规划方法[P].中国专利：CN108274465A,2018-07-13),用A^*避免陷入局部极小值的问题并避免机械臂抖动。但以上两种方法，并未考虑机械臂和障碍物的移动速度关系，当障碍物移动速度过快时，机械臂可能无法及时躲避，在人机安全避障中存在一定局限性。

发明内容

本发明克服现有技术的上述缺点，提出一种基于改进人工势场法的人机安全避障路径规划方法，根据障碍物与机械臂的速度关系，控制机械臂执行不同避障方式，保证了人机安全。

本发明针对不同的障碍物与机械臂的速度关系，分别建立斥力场向量函数，并利用Pivot算法改进斥力场向量函数。首先，本发明通过Kinetic相机，获取障碍物，目标点以及机械臂的位姿关系。其次，本发明通过在机械臂末端执行器构造边界球，判断障碍物是否进入边界球并执行避障任务，定义引力场向量函数，再根据障碍物与机械臂的速度关系定义斥力场向量函数，主要考虑以下情况：1)障碍物快速接近机械臂，当速度v_Hv_{robot_end}m/s，系统规划的新路径不能保证人体的安全，机械臂根据人的运动方向，通过Pivot算法优化斥力场向量函数；

2)障碍物缓慢接近机械臂，当速度v_Hv_{robot_end}m/s，使用传统的斥力场向量函数。最后对引力以及斥力进行矢量合成，进行轨迹规划，生成避免碰撞的新路径，当机械臂陷入局部最小值时，引入时间因子，对机械臂产生一定扰动，快速脱离。如果人突然加速，应该对第一种情况做出反应。

基于改进人工势场法的人机安全避障路径规划方法，具体步骤如下：