[发明专利]空间冗余机械臂的运动规划方法与装置

说明书

本发明实施例公开了一种空间冗余机械臂的运动规划方法与装置。该方法包括：确定空间冗余机械臂的无碰初始关节轨迹；建立空间冗余机械臂的轨迹规划最优控制问题模型，并对轨迹规划最优控制问题模型的约束条件进行凸化处理，得到凸化处理后的轨迹规划最优控制问题模型；根据无碰初始关节轨迹以及凸化处理后的轨迹规划最优控制问题模型，确定空间冗余机械臂的最优关节轨迹。通过本发明，解决了相关技术中空间冗余机械臂运动规划方法较为复杂且无法满足应用需求的问题，达到了能够为空间冗余机械臂规划带末端任务约束的最优关节轨迹的技术效果。

技术领域

本发明涉及空间机器人系统技术领域，尤其涉及一种空间冗余机械臂的运动规划方法与装置。

背景技术

在载人航天工程的推动下，由中国自行研制的空间站已投入运营。空间站在轨运营期间，分别在核心舱和实验舱上搭载的核心舱机械臂(Core Module Manipulator，CMM)和实验舱机械臂(Experimental Module Manipulator，EMM)将在执行视觉感知任务方面发挥重要作用。视觉感知任务指利用7自由度CMM或EMM的末端手眼相机实现对目标的遥操作监控。不论是对舱外动态目标的监视，还是对舱体静态目标的检查，都需要为CMM或EMM规划一条从起始观测点到终端观测点的无碰撞、可执行的平滑轨迹，同时在整个运动过程中要使目标保持在末端手眼相机的视野范围之内。上述问题属于空间冗余机械臂带有末端任务约束的运动规划问题。

根据构造原理的不同，可将现有的运动规划方法大致归纳为三类：组合运动规划方法、基于采样的运动规划方法以及基于优化的运动规划方法。

组合运动规划方法首先需要将障碍构型空间和自由构型空间显式且完备的表示出来，然后将运动规划问题转化为自由构型空间中的路图构造和路径搜索问题。这类方法在解决运动规划问题时的优势是具有完备性，且对自由度较少的机器人在简单应用场景下的运动规划具有高效性。然而，随着机器人自由度的增加、障碍环境的复杂化以及其它约束条件的增多，显示且完备地构造自由构型空间、障碍构型空间以及路图的难度都会呈指数倍增长，因此这类方法并不适用于高自由度机器人的运动规划问题。此外，这类方法也不适用于含有微分约束的运动规划问题。

与组合运动规划方法不同，基于采样的运动规划方法通过利用碰撞检测模块来避免显式构造障碍构型空间，核心思想是用自由构型空间中的有限多个点来近似表示连通性，然后用这些点来构造搜索树，以牺牲完备性的代价换取较高的计算速度。这类方法又可细分为多查询(Multiple-query)和单查询(Single-query)两类。多查询方法通过构建具有拓扑性质的路图来实现具有多个起始-目标点对的运动规划，这类方法的典型代表有概率路线图法(Probabilistic Roadmap，PRM)以及它的各种变体，如lazy PRM，dynamic PRM以及PRM*等。单查询方法用来实现具有单个起始-目标点对的运动规划，通过增量式的方法构造一个无向树状图来快速搜索目标，这类方法的典型代表有快速搜索随机树法(Rapidly-exploring Random Tree，RRT)，快速探索密集树法(Rapidly-exploring Dense Tree，RDT)以及各种变体，如RRT-Connect，RRT*等。针对高自由度机器人不考虑任务约束的点到点规划问题，基于采样的运动规划方法可以快速计算出无碰几何路径。然而在解决带有任务约束的运动规划问题时存在采样效率低、计算复杂以及应用场景受限等不足，此外，该类方法在考虑动力学约束时需要解决复杂的两点边值问题，扩展性较差。