【技术实现步骤摘要】
基于虚拟推力的遥操作机械臂三维避障方法
本专利技术公开了基于虚拟推力的遥操作机械臂三维避障方法,具体是对遥操作机械臂三维避障运动过程中运动规划方法,属于机械臂运动规划领域。
技术介绍
机器人的运动规划问题的研究,在上世纪六十年代已被兴起。早期的运动规划只是涉及到路径规划。把机器人视为一个点,运动规划即为在位姿空间中寻找一条从起始位姿点到目标位姿点的连续路径,它的研究已经很成熟。与机器人避障相比较,遥操作机械臂的避障则复杂很多,它是在完成某个特定任务时,机械臂的所有组成杆件和末端都不与障碍物发生碰撞。针对机械臂的避障规划,目前已采用的方法有全局规划和局部规划。全局规划的基础是精确的全局环境的建模,这就需要大量的计算,对于动态环境建模计算更复杂,难度增大,很难适应动态环境。局部规划是将避障问题看做一个局部控制问题,通过传感器和视觉检测器获取障碍物信息实现实时避障,与全局规划比较有着计算量小,动态环境适应力强,便于实现等优点。目前其主流的算法有神经网络方法、人工势场法、梯度投影法等。其中神经网络算法计算量大,人工势力场算法末端轨迹追踪误差大易陷入局部极小值,梯度投影法在复杂非结构环境中容易避障失败。考虑以上算法存在的优缺点,本专利技术提出一种将虚拟推力和任务转换避障算法相结合的方法实现遥操作机械臂的三维避障方法。解决了上述避障算法中普遍存在的计算量大,末端轨迹追踪误差大,非结构化复杂三维环境中难以实现避障的问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有避障方法的不足,提出一种基于虚拟推力的遥操作机械臂三维避障方法。为实现上述目的,在本专利技术方法中,遥操作机械臂在三维立体 ...
【技术保护点】
1.基于虚拟推力的遥操作机械臂三维避障方法,其特征在于:遥操作机械臂在三维立体环境空间中进行路径规划;遥操作机械臂的末端轨迹上存在障碍物时,根据改进任务优先级后的避障方法追踪末端轨迹;随着机械臂末端距离障碍物越来越近,启用虚拟推力参与障碍物的躲避的任务;在遥操作机械臂末端执行器任务轨迹追踪误差极小的情况下,完成机械臂对障碍物的回避动作;实现避障后,随着机械臂末端对障碍物的远离,逐渐削弱虚拟推力的力度,继续追踪末端轨迹,完成给定工作任务;对于一个有N个关节的遥操作机械臂,该遥操作机械臂的动力学方程表示如下:
【技术特征摘要】
1.基于虚拟推力的遥操作机械臂三维避障方法,其特征在于:遥操作机械臂在三维立体环境空间中进行路径规划;遥操作机械臂的末端轨迹上存在障碍物时,根据改进任务优先级后的避障方法追踪末端轨迹;随着机械臂末端距离障碍物越来越近,启用虚拟推力参与障碍物的躲避的任务;在遥操作机械臂末端执行器任务轨迹追踪误差极小的情况下,完成机械臂对障碍物的回避动作;实现避障后,随着机械臂末端对障碍物的远离,逐渐削弱虚拟推力的力度,继续追踪末端轨迹,完成给定工作任务;对于一个有N个关节的遥操作机械臂,该遥操作机械臂的动力学方程表示如下:式中τ表示关节的驱动力矩;M(θ)表示机械臂的质量惯性矩阵,M(θ)是n×n的正定对称矩阵,为关节变量θ的函数,为关节变量θ的一阶偏导,为关节变量θ的二阶偏导;n为矩阵的行数或列数;表示离心力和哥式力向量,是n×1的向量;G(q)表示重力矢量,是一个n×1的向量,与关节变量θ有关;对关节的驱动力矩进行简化,表示如下:τ=τ0+τ力(2)其中τ0表示离心力、哥式力和重力矢量,求解表达式为,τ力表示环境对机械臂的作用力矩,求解表达式为,虚拟推力是一个在遥操作机械臂完成给定工作任务过程中需要避障时假想出来的力;它的主要作用是在障碍阻碍机械臂运动时给机械臂提供的一个虚拟力;这个虚拟力作用在机械臂上,将机械臂拉离障碍物,实现避障;将遥操作机械臂上与障碍物距离最近的点定义为关键点,记为A0;当A0与障碍物的最小距离d0达到一定值时候,假想的虚拟推力开启;此时,虚拟推力f虚沿着障碍物指向关键点的方向(Bo指向Ao)作用于遥操作机械臂杆件,避障运动开始;遥操作机械臂受到的等效虚拟推力力矩为τ虚,根据力雅克比关系求解式子表示为:τ虚=JT·f虚(3)式中,d为通过传感器或视觉摄像机获得的障碍物与机械臂的距离,dm为安全距离值,K为比例系数,J(θ)是m×n的机械臂末端的雅克比矩阵,M(θ)表示机械臂的质量惯性矩阵;在不受其他外力作用的情况下有:虚拟推力于关节加速度的关系表示为:在m维的操作空间中,用r表示机械臂末端执行器的位姿坐标向量,θ表示机械臂关节位姿坐标向量,遥操作机械臂的运动学方程表示如下:r(t)=g(θ(t))(1)式中,g是向量函数,将关节空间变量映射为任务空间变量;对式(1)两边同时求导,得到机械臂末端和关节的速度关系方程:式中,表示机械臂末端执行器的速度矢量;表示机械臂关节的速度矢量;J(θ)是m×n的机械臂末端的雅克比矩阵;将遥操作机械臂的避障问题中的机械臂避障作为主任务记为T0,末端轨迹追踪运动运动作为子任务记为T,则对应的雅克比矩阵分别为J0和J,运动学方程为:r0(t)=g0(θ(t))(5)r(t)=g(θ(t))(6)遥操作机械臂关节速度的逆运动学近似求解方程表示如下:式中,表示避障运动,表示机械臂末端的轨迹追踪运动;其中,避障运动是在一维平面中完成,将从...
【专利技术属性】
技术研发人员:龚道雄,张恩慧,李萌,
申请(专利权)人:北京工业大学,
类型:发明
国别省市:北京,11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。