[发明专利]一种移动作业机器人定时长可达工作空间的求解方法

说明书

一种移动作业机器人定时长可达工作空间的求解方法，属于移动作业机器人自主物体检测、抓取以及人机协作技术领域。该方法首先确定了移动作业机器人的运动时长，为后续有关移动作业机器人最短时间作业的研究做准备。然后分别为六自由度机械臂和移动底盘建立运动学模型。最后基于移动作业机器人的运动时长、机械臂末端执行器的可达工作空间与各个关节之间的转换关系以及移动底盘的运动学模型，采用蒙特卡洛法对末端执行器的工作区域进行分析，得到机器人定时长可达工作空间的点云图。本发明的求解过程相对简单，准确性较高，可以用在移动作业机器人的路径规划、避障和运动控制以及人机协作等技术领域。

技术领域

本发明属于移动作业机器人自主物体检测、抓取以及人机协作技术领域，涉及到移动底盘与机械臂的联合运动规划方法，尤其是移动作业机器人在固定时长内可达工作空间求解方法。

背景技术

移动作业机器人是在移动底盘上加装一个六自由度工业机械臂以及智能传感器所构成的具有主动作业能力的新型智能移动机器人系统，它具有环境感知、自主决策以及运动控制等一系列功能，可以在室内外大范围场景下自主移动与作业。相对于传统的固定基座机械臂，移动作业机器人有很多优势。加装在移动底盘上的机械臂具有更大的工作空间，可以在更加广阔的范围内进行作业；机械臂还可以清除障碍以及提供辅助支撑，增强了移动底盘的地形通过能力。移动作业机器人的上述优点使得其在物流仓储、工业生产、抗震救灾等领域具有广阔的应用场景。

在移动作业机器人的路径规划、避障和运动控制中，工作空间的求解始终是一个需要考虑的重要问题，它是衡量移动作业机器人工作能力的一个重要指标。移动作业机器人的工作空间是指机械臂末端执行器所能达到的位置点的集合。每个移动作业机器人的工作空间与它自己的结构形式、约束条件等息息相关。国内外学者对此已经进行了很多的研究工作，主要致力于机械臂工作空间分析，并取得了一定的成果。

文献(胡朝晖,郑玉航,羊帆.六自由度机械臂建模与工作空间分析[J].传感器与微系统,2020,39(01):35-37.)提出一种应用于危险环境下的六自由度机械臂工作空间求解方法。该方法根据Denavit-Hartenberg多体运动学建模方法，分析建立机械臂各关节坐标系并确定连杆参数，通过齐次变换推导末端执行器的姿态和位置。但是，该方法仅仅考虑了机械臂的完整工作空间，没有基于固定运动时间对可达工作空间进行进一步研究。此外，该方法仅仅适用于单独的机械臂工作空间求解，并不适用于加装了机械臂的移动机器人。

文献(战茜,屠大维.移动机器人自主抓取作业[J].计算机应用,2016,36(S1):95-98+102.)提出了一种移动作业机器人自主作业研究方法。该方法分别为机械臂和移动底盘建立了运动学模型，可以有效地使机器人在不同环境下，自主完成对于目标物体的抓取作业。但是，该方法没有为移动作业机器人建立一个完整的运动学模型。此外，该方法没有考虑移动作业机器人的运动时间，无法实现最短时间作业。

发明内容

为了解决现有机器人工作空间求解方法的缺陷与不足，本发明提出了一种移动作业机器人定时长可达工作空间求解方法。该方法首先确定了移动作业机器人的运动时长，为后续有关移动作业机器人最短时间作业的研究做准备。然后分别为六自由度机械臂和移动底盘建立运动学模型。最后基于移动作业机器人的运动时长、机械臂末端执行器的可达工作空间与各个关节之间的转换关系以及移动底盘的运动学模型，采用蒙特卡洛法对末端执行器的工作区域进行分析，得到机器人定时长可达工作空间的点云图。

本发明的技术方案：

一种移动作业机器人定时长可达工作空间的求解方法，步骤如下：

(1)六自由度机械臂运动学模型建立