[发明专利]动态环境下协作机器人柔性路径规划方法

说明书

本发明属于机器人技术领域，提供了一种动态环境下协作机器人柔性路径规划方法，使机器人在障碍物动态变化环境下既能保证安全性，又具有主观能动性。本发明根据实际环境的特点，设计的动态路径规划系统适用于室内人机协作工厂。搭建语义分割模型并采用标注好的真实室内环境图片进行训练，然后将结果与边缘检测相结合，获得的模型结果精度较高，能够准确的将环境模型与实际环境匹配，保证路径规划的安全性。使用目标选择概率调整RRT*算法的搜索速度，通过剪枝操作使得到的路径更简洁并提高了效率。将真实的环境模拟为人造引力场，并利用斥力作用引导机器人快速躲避障碍物，该方法能在100毫秒内获得修正的路径，保证了机器人前进途中的安全。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及高随机性动态环境中协作机器人的路径规划问题。

背景技术

随着工业机器人的迅猛发展，人机协作已逐渐成为现代工业机器人的主要工作模式。

传统的人与机器的工作模式中，为了保证人类工作者的安全，将机器人隔离开来，二者各自完成工作。但是这种模式下，机器人能完成的工作种类有限，且适应性、灵活性差，并未给人类工作者带来实质上的帮助。在新一代人与机器的工作模式中，人与机器协同工作，互相帮助，可以实现安全的人机交互，具有高效生产、高灵活性、高可靠性等优点。由于机器人并不能完全代替人，在很多工作上还是需要人来支配，所以人和机器共同协作才是未来的趋势，并且利用协作机器人能够进一步缩短产品的周期，提高生产效率。人机协作机器人将开启人和机器协同工作的新时代。

人机协作系统中机器人与人的交互即机器人的移动给机器人技术带来了新的挑战，因为机器人和人类工作者在系统中直接相互作用。人与机器人之间成功合作的先决条件是保证人类的安全。同时，确保机器人与人类以最佳性能协作也是重要的，即机器人运动应该既安全又高效。在定义明确且具有确定性的环境中，现有技术可以实现安全性并且保证效率，比如让机器人沿着固定轨道到达固定位置。然而，与人类工作者的互动给系统带来了很多不确定性。此外，机载计算能力受到限制，以限制机器人在实时交互期间能够考虑的可能的情况。这些都是开发协同机器人面临的主要挑战。

动态环境中的运动规划是一项具有挑战性的任务。在工业系统的人机协作工厂中，机器人运动规划的两大挑战是安全和效率。为了保证机器人运动过程中的安全，不仅要确保机器人无碰撞，还必须设置安全距离，即机器人在移动过程中能够与环境中的其他事物、或者人保持一定的距离。此外，有些障碍物并不是静止的，例如其他移动机器人与人类工作者。因此，必须排除与移动事物碰撞的危险，在机器人沿着规划好的路径前进时需要时刻关注周围环境，注意下一步是否仍然安全。检测到碰撞即停止的控制方式使机器人丧失主观能动性，导致机器人的暂停工作，降低了工作效率。因此，检测到碰撞之后必须及时做出反应，适当地改变路径，而不是停止前进或随意改变方向。

因此，在计算能力有限且环境动态不确定的情况下控制协同机器人的行为，以便在保证安全的同时最大化任务效率是必要的，是人机协作系统的成功开发面临的首要挑战。研究机器人柔性路径规划方法，使机器人在动态环境中不但能保持自身的主观能动性，又能够保证安全性和高效性到达目的地是必要的。

发明内容

本发明主要解决人机协作机器人在动态环境中的运动规划问题，提出融合快速搜索随机树与人工势场的路径搜索算法，构建了机器人柔性路径规划策略与方法，使机器人在障碍物动态变化环境下既能保证安全性，又具有主观能动性，本发明实现了障碍物动态变化环境中，不改变机器人运动速度前提下，100毫秒级安全避障。

本发明的技术方案如下：

动态环境下协作机器人柔性路径规划方法，步骤如下：