[发明专利]一种基于导航路径约束的柔性机器人路径规划方法

说明书

本发明涉及路径规划技术领域，尤其涉及一种基于导航路径约束的柔性机器人路径规划方法，包括：对机器人的参数进行初始化设定；将机器人的起始点与目标点之间的理想路径曲线均匀离散；根据理想路径曲线上的各离散点以及离散点的主法线、副法线和切线构建机器人实际步进点在基坐标系的位姿矩阵；基于距离函数求解机器人末端弯曲单元的关节参数；基于逆向递推法求解机器人其他弯曲单元的关节参数。本发明控制连续检测机器人在三维空间中沿着预设路径进行跟随运动，具有较高的控制精度与较强的适应性。

技术领域

本发明涉及路径规划技术领域，尤其涉及一种基于导航路径约束的柔性机器人路径规划方法。

背景技术

连续体机器人(简称机器人)是一种新型仿生机器人，与传统工业机器人不同，其系统结构不包含刚性连杆及可识别的旋转关节，而是依靠连续弯曲结构或弹性骨架，通过某种驱动方式(如绳驱动、镍钛合金丝或气压驱动等)进行弯曲运动而产生操作臂的结构变形，因此具有其独特的柔顺性、灵活性和安全性等特点，非常适用于复杂狭小的工作空间，如飞机油箱检修、震后救援、核泄漏检修及微创手术等领域。

由于连续体机器人结构的高柔顺性及超冗余自由度的特点，传统工业机器人的运动规划方法不再适用于连续体机器人，很多研究学者针对连续体机器人提出了新的路径规划方法。有部分学者提出基于连续体机器人逆运动学的路径规划方法，可以实现对较少关节的机器人的运动规划，然而路径规划方法整体计算量大，推广到多关节控制时相对困难；有提出利用传感器进行机器人路径规划的方法，但对于传感器的安装等要求相对较高，不具有普遍性；还有提出简化机器人搜索空间前向路径搜索的路径规划方法，将三维简化为二维，虽然可以简化路径难度，但是只适用于平面，限制了连续体机器人在复杂空间环境中的应用，如在空间腔内的探索，杂乱环境中对物体的抓取等。因此，机器人运动规划是制约其深入研究和快速发展的重要难题。

发明内容

针对现有算法的不足，本发明控制连续检测机器人在三维空间中沿着预设路径进行跟随运动，具有较高的控制精度与较强的适应性。

本发明所采用的技术方案是：一种基于导航路径约束的柔性机器人路径规划方法包括以下步骤：

步骤一、对机器人的参数进行初始化设定，包括：关节段数、关节长度、弯曲单元弯曲角、旋转角、起始点和目标点；

步骤二、将机器人的起始点与目标点之间的理想路径曲线均匀离散，并控制机器人从初始零位开始步进；

步骤三、根据理想路径曲线上的各离散点以及离散点的主法线、副法线和切线构建机器人实际步进点在基坐标系的位姿矩阵；

进一步的，具体包括：

设理想路径曲线上距离机器人最近的离散点设为M，s为理想路径的起点到M点的弧长，则曲线在点M处的切向量为：

其中，t为切向量，曲线上点M处的径矢为

如果则M点处的切向量和位置向量唯一确定一个密切平面，密切平面方程为：

其中，为副法线方程；副法线标准方程表示为：

在已知切向量和副法线向量的情况下，M点处主法线通过右手定则求解为：

其中，为主法线向量；

机器人沿着理想路径曲线前进弧长s₀时，机器人实际步进点相对于基坐标系的齐次变换矩阵为：

其中，M_m为M点在基坐标系下的位置坐标；