[发明专利]基于改进A*算法的工业机械臂无碰撞路径规划方法

摘要

基于改进A*算法的工业机械臂无碰撞路径规划方法，先对六自由度机械臂进行参数化建模，并建立机械臂的正逆运动学模型；再建立机械臂及环境的OBB包围盒；然后设置A*算法的估价函数和搜索步长，采用基于分离轴的碰撞检测算法在搜索的每一步中判断机械臂是否与环境发生碰撞；再根据关节转动角度之和最小且不发生碰撞的原则，在机械臂的六维关节空间中进行搜索，得到无碰撞的路径；本发明将传统的A*算法的搜索步长设置为变步长，能够实现六自由度的机械臂在C空间的无碰撞路径搜索，具有计算简单，搜索效率高的优点。

主权项

1.基于改进A*算法的工业机械臂无碰撞路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对六自由度机械臂进行参数化建模，并建立机械臂的正逆运动学模型：采用D‑H法描述机械臂的位姿，建立机械臂的连杆坐标系，确定机械臂的D‑H参数；根据D‑H参数，连杆i和连杆i‑1相对位置的齐次变换矩阵i‑1Ai为：式中Ci＝cosθi，Si＝sinθi，其中i表示机械臂的连杆个数，i＝1,2,3,4,5,6；将各关节的齐次变换矩阵相乘，得到了机械臂末端执行器的齐次变换矩阵为：其中，px,py,pz表示平移变换在x，y，z三个方向的分量，n＝[nx ny nz]，o＝[ox oy oz]，a＝[ax ay az]，分别为绕x，y，z三个方向旋转矢量；步骤2、建立机械臂及环境的OBB包围盒：利用soildwork建模软件建立机械臂及环境模型，并将机械臂及环境模型另存为STL格式文件，读取STL格式文件，从而得到模型中各个物体的三角形网格模型，采用OBB包围盒算法建立机械臂及环境障碍物的OBB包围盒；OBB包围盒方法流程为：2.1)通过物体的三角形网格模型中的三角面片信息计算每个三角形平面的法向矢量，并在每个三角面片上建立一个坐标系，原点为三角形任意顶点，三角形平面为x‑y平面，z轴方向为三角形平面的法向矢量；2.2)遍历每一个三角面片的平面法向矢量，依次绕每一个法向矢量旋转三角面片的坐标系，寻找物体的三角形网格模型投影到三角面片的x‑y平面面积最小的方向，记录下在旋转后的坐标系下的包围盒的体积；2.3)将最小体积对应的坐标系的方向作为包围盒的三个方向向量，将物体的三角形网格模型中所有顶点投影到三个方向向量中，求出每个方向的最大值和最小值，得到OBB包围盒的八个顶点；步骤3、设置A*算法的估价函数和搜索步长，采用基于分离轴的碰撞检测算法在搜索的每一步中判断机械臂是否与环境发生碰撞：机械臂在关节空间中某个节点的构型矢量为qi，其中包括六个旋转关节的角度变幅，即qi＝(qi1,qi2,qi3,qi4,qi5,qi6)，距离估价函数为所有关节转动的角度之和，在估价函数中加入一项，即当前节点到目标节点的各关节位移变化量之和，估价函数如下：在机械臂的作业场景中，障碍物区域设置0.1到0.2度之间较小的搜索步长；而在非障碍物区域设置1到1.5度之间较大的搜索步长；采用基于分离轴相交测试的方法在搜索过程中进行碰撞检测，对于包围盒子A与B的碰撞检测算法流程为：3.1)计算两个包围盒子潜在的15条分离轴，对每一条分离轴进行相交测试；3.2)对每一条分离轴，将八个顶点做投影，得到两个包围盒投影的最大值和最小值分别为maxA、minA、maxB和minB,若maxA

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