[发明专利]一种基于随机采样的移动机械臂避障规划方法

说明书

本发明公开了一种基于随机采样的移动机械臂避障规划方法。本发明首先将移动平台建模成一个由x、y方向的移动关节上接一个旋转关节组成的特殊的机械臂，并将其与原有的机械臂模型组合，建立n自由度移动机械臂的正运动学模型。然后对运动规划过程中的约束进行分析，然后设计移动机械臂车‑臂一体化路径规划算法流程。最后设计用于路径平滑处理的双向删除冗余路径方法，对上一步得到的路径做平滑处理。本发明将整个移动机械臂建模成含有移动关节的特殊机械臂，极大简化了运动学求解复杂度。同时设计了双向删除冗余路径算法，用较低的计算复杂度很大程度地缩减和平滑了RRT算法规划出的路径。

技术领域

本发明属于路径规划领域，具体来说是一种面向移动机械臂的基于随机采样算法的避障路径规划方法，可以在指定大小和障碍物的场地上为移动机械臂快速规划出障碍物避让的可行路径。

背景技术

移动机械臂既具有移动平台的移动性，又具有机械手的操作性，这类平台广泛应用于不同的工业和生产领域。相比于传统的机器人主要集中于特定研究方向，例如感知、规划、控制及人工智能等，移动机械臂系统更倾向于能够在实际环境中完成更大范围任务的综合系统。

由于没有考虑移动平台和机械臂这两个系统间的交互作用，且移动平台和机械臂的结合会引入高度的运动学冗余度，现有的移动平台或机械臂的规划方法并不能直接复制于移动机械臂之中。因此移动平台和机械臂的协调规划问题不可忽视，需要针对移动机械臂的特征，进行车-臂一体化的运动规划以进行有效的避障和任务执行。

目前针对机器人的运动规划方法大致可分为基于图的运动规划方法和基于随机采样的运动规划方法。A*算法是最常见的基于图的运动规划方法，这类方法通常在高维复杂空间计算效率很低，因此并不适用于移动机械臂的运动规划。快速拓展随机树(RRT)算法是最常见的一类基于随机采样的运动规划方法，这类方法的特点在于速度快，且运算速度不会因维度提升而显著下降，因此常用于冗余机械臂的规划，然而将其运用于移动机械臂的车-臂一体化运动规划却较少涉及。为此，本发明提出了一种基于RRT-GoalBias算法的移动机械臂运动规划方法，能够快速规划出障碍物避让的可行路径。

发明内容

本发明的目的在于提出一种面向移动机械臂的基于随机采样算法的避障路径规划，用以解决移动机械臂在给定场地下快速避障规划的问题。

本发明包括以下步骤：

步骤1：将移动平台建模成一个由x、y方向的移动关节上接一个旋转关节组成的特殊的机械臂，并将其与原有的机械臂模型组合，建立n自由度移动机械臂的正运动学模型为：

其中，移动平台的位姿表示为q_b＝[x,y,θ₀]^T，机械臂的关节转角向量为q_m＝[θ₁,θ₂,…,θ_n-3]^T，移动机械臂位姿表示为q_i＝[q_b^T,q_m^T]^T。为移动机械臂的车-臂一体化变换矩阵，为世界坐标系到移动平台坐标系的状态转换矩阵，为第i-1个关节到第i个关节的状态转换矩阵。

步骤2：对运动规划过程中的约束进行分析，然后设计移动机械臂车-臂一体化路径规划算法流程，具体为：

1)目标约束

移动机械臂规划路径的初始和终止位姿须等于规定的起始位姿和目标位姿，表示为：

q_init＝q_start

q_end＝q_goal

2)位姿约束