一种基于规划知识库的机械臂快速任务规划方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种基于规划知识库的机械臂任务规划方法，一方面，本发明专利技术实施例获取任务始末位置、环境信息和原任务规划方法；从而，基于规划知识库原理将任务空间环境约束信息与规划知识库中已规划任务单元的环境信息进行对比，获取规划知识库中已规划任务单元中的随机路标地图，搜索始末位置间的可执行任务中间点序列；最后，依据所得任务中间点序列与可执行原任务规划方法，完成机械臂的任务规划。

A Rapid Manipulator Task Planning Method Based on Planning Knowledge Base

The embodiment of the present invention provides a method of task planning for robotic arm based on planning knowledge base. On the one hand, the embodiment of the present invention acquires the position of task beginning and ending, environmental information and original task planning method; thus, based on the principle of planning knowledge base, the environmental constraints information of task space is compared with the environmental information of planned task units in planning knowledge base, and the planning knowledge base is acquired. Random landmark maps in planned task units are used to search the sequence of executable task midpoints between the beginning and end positions. Finally, according to the sequence of task midpoints and the method of executable original task planning, the task planning of the manipulator is completed.

【技术实现步骤摘要】
一种基于规划知识库的机械臂快速任务规划方法
本专利技术涉及一种基于规划知识库的机械臂快速路径规划方法，属于机械臂运动规划

技术介绍
随着科学技术的快速发展，具有操作灵活、精准度高等优点的高自由度机械臂已被广泛应用于工业生产、航空航天等领域。工业生产环境约束众多，机械臂执行移动任务时往往不能直接利用机械臂路径规划算法求解机械臂运动轨迹。机械臂任务规划技术作为规划系统的最高层，负责复杂任务的接收、分析、拆解，将不能直接规划完成的任务拆解为可直接进行路径规划的原任务序列。任务规划技术的提出对于提高机械臂的工作能力、增加机械臂可操作度具有至关重要的作用。现有关于机械臂任务规划方法采用随机路标地图法即时规划，即每收到一新的规划任务时，先构建适应此任务空间环境约束的随机路标地图，再搜索地图内的任务中间点序列，完成复杂移动任务的拆解。规划完成之后，所构建的随机路标地图即时销毁，算法规划效率低下。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种基于规划知识库的机械臂快速路径规划方法，用以解决现有技术中算法效率不能满足复杂任务要求的问题。上述基于规划知识库的机械臂快速路径规划方法过程中，用到的方法至少包括：获取任务始末位置、机械臂可执行原任务规划方法与任务空间环境约束，原任务规划方法具体为机械臂关节空间路径规划方法；依据机械臂运动始末位置、任务空间环境约束与其执行原任务规划方法，基于规划知识库原理获取始末位置间的可执行任务中间点序列；依据所得任务中间点序列与可执行原任务规划方法，完成机械臂的任务规划。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，依据机械臂运动始末位置、任务空间环境约束与其执行原任务规划方法，基于规划知识库原理获取始末位置间的可执行任务中间点序列，包括：定义规划知识库中保存元素为已规划的任务单元，其中每一任务单元包含任务环境信息矩阵M、环境特征λ、学习得随机路标地图G；依规划知识库原理，将所述机械臂任务空间环境约束与所有规划知识库中任务单元的任务环境信息矩阵进行匹配；依匹配结果，搜索或规划可执行任务中间点序列。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，依规划知识库原理，将所述机械臂任务空间环境约束与所有规划知识库中已知任务单元的任务空间环境约束进行匹配，包括：利用三维矩阵M表征任务空间环境约束，称为环境信息矩阵M，其构建方法为在任务空间环境约束信息中提取出各个位置的信息，若坐标为(i,j,k)处有环境约束存在，则令三维矩阵M中的元素Mijk＝1，反之，Mijk＝0；将此任务环境信息矩阵与规划知识库中每个任务单元中的环境矩阵进行比较，得到对比结果；若对比结果为两矩阵相等，则认为任务空间环境约束完全相同，若对比结果为两矩阵不等，则按此条步骤2所述方法对比规划知识库中的其他任务单元中的环境信息，若知识库中不存在与任务空间环境约束匹配的任务单元，则认为任务空间环境约束与规划知识库中任一任务单元都不匹配。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，将此任务环境信息矩阵与规划知识库中每个任务单元中的环境矩阵进行比较，得到对比结果，包括：求解三维环境矩阵的元素“1”的个数，称为环境特征λ；对比两环境矩阵的环境特征；若环境特征不等，则认为两矩阵不相等，若环境特征相等，则按元素对比任务的环境矩阵与规划知识库任务单元中的环境矩阵，判断两矩阵是否相等。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，依匹配结果搜索或规划可执行任务中间点序列，包括：若任务空间环境约束与规划知识库中一任务单元的环境信息完全匹配，则直接提取该任务单元中的随机路标地图，利用随机路标地图法在随机路标地图中搜索规划结果，中间点序列即为随机路标地图中从任务起始位置至目标位置的最短路标顺序；若任务空间环境约束与规划知识库中任一任务单元都不匹配，则重新规划并保存此环境下的任务结果。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，若任务空间环境约束与规划知识库中任一任务单元都不匹配，则重新规划并保存此环境下的任务结果，包括：利用随机路标地图法规划方法构建机械臂在此环境下的随机路标地图，并依随机路标地图法在地图中搜索从初始位置至目标位置的任务中间点序列，中间点序列即为随机路标地图中从任务起始位置至目标位置的最短路标顺序；将该任务的环境信息矩阵M、环境特征λ、学习得随机路标地图G作为一新任务单元保存至规划知识库内，任务单元作为一任务规划结果保存于规划知识库内用以后续使用此次规划结果。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性和劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1是本专利技术实施例所提供的机械臂的任务规划方法的流程示意图；图2是利用本专利技术实施例提供的基于规划知识库的机械臂任务规划方法实施例的流程示意图；图3是利用本专利技术实施例所提供的机械臂任务规划方法中规划知识库的结构示意图；图4是利用本专利技术实施例所提供的机械臂任务规划方法的任务优化效果对比图。【具体实施例】为了更好的理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例给出一种空间机械臂的任务规划方法，请参考图1，其为本专利技术实施例所提供的空间机械臂的任务规划方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：首先获取机械臂任务始末位置、任务空间环境约束与原任务规划方法，原任务方法为机械臂基本关节空间路径规划方法，该方法能够构建任务始末位置的路径，但若此路径不满足任务空间环境约束，则规划失败，此时机械臂需使用任务规划方法。机械臂任务规划即将不满足约束的复杂任务规划为一系列可执行的原任务序列，在此表征为任务中间点序列，具体方法请参考图2，具体包括以下步骤：提取得的任务空间环境约束可以表征为三维矩阵M，按像素点保存机械臂工作区域内的环境信息。假定机械臂工作区域为边长为l的正方体，将正方体网格状划分为n3个边长为l/n的相同的小正方体，其中n为等分的度量。若坐标(i,j,k)处有环境约束存在，则令三维矩阵M中的元素Mijk＝1，反之，Mijk＝0。提取任务环境矩阵M的矩阵特征λ，λ为环境矩阵M中值为1的元素的个数。检索规划知识库中是否存在已规划信息能够应用于当前场景，规划知识库内含多个任务单元，任务单元中保存在已规划任务的环境矩阵、环境特征与所规划随机路标地图，其具体结构请参考图3。对比任务空间环境约束的环境矩阵特征与任务单元内的环境矩阵特征；若两环境特征不相等，则认为任务空间环境约束与此任务单元的任务空间环境约束不相同；若两环境特征相等，则继续对比任务空间环境约束的环境矩阵与所对比任务单元内的环境矩阵。若两环境矩阵相等，则认为任务空间环境约束与此任务单元的任务空间环境约束完全相同，则认为机械臂当前任务空间环境约束与此任务单元的任务空间环境约束相同；若两环境矩阵不相等，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于规划知识库的机械臂任务规划方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)获取任务始末位置、机械臂可执行原任务规划方法与任务空间环境约束，原任务规划方法具体为机械臂关节空间路径规划方法；(2)依据机械臂运动始末位置、任务空间环境约束与其执行原任务规划方法，基于规划知识库原理获取始末位置间的可执行任务中间点序列；(3)依据所得任务中间点序列与可执行原任务规划方法，完成机械臂的任务规划。

【技术特征摘要】
1.一种基于规划知识库的机械臂任务规划方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)获取任务始末位置、机械臂可执行原任务规划方法与任务空间环境约束，原任务规划方法具体为机械臂关节空间路径规划方法；(2)依据机械臂运动始末位置、任务空间环境约束与其执行原任务规划方法，基于规划知识库原理获取始末位置间的可执行任务中间点序列；(3)依据所得任务中间点序列与可执行原任务规划方法，完成机械臂的任务规划。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，实现所述依据机械臂运动始末位置、任务空间环境约束与其执行原任务规划方法，基于规划知识库原理获取始末位置间的可执行任务中间点序列的过程至少包括：(1)定义规划知识库中保存元素为已规划的任务单元，其中每一任务单元包含任务环境信息矩阵M、环境特征λ、学习得随机路标地图G；(2)依规划知识库原理，将所述机械臂任务空间环境约束与所有规划知识库中任务单元的任务环境信息矩阵进行匹配；(3)依匹配结果，搜索或规划可执行任务中间点序列。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，依规划知识库原理，将所述机械臂任务空间环境约束与所有规划知识库中已知任务单元的空间环境约束进行匹配的过程至少包括：(1)利用三维矩阵M表征任务空间环境约束，称为环境信息矩阵M，其构建方法为在任务空间环境约束信息中提取出各个位置的信息，若坐标为(i,j,k)处有环境约束存在，则令三维矩阵M中的元素Mijk＝1，反之，Mijk＝0；(2)将此任务环境信息矩阵与规划知识库中每个任务单元中的环境矩阵进行比较，得到对比结果；(3)若对比结果为两矩阵相等，则认为任务空间环境约束完全相同，若对比结果为两矩阵不等，则按此条权利要求步骤2所述方法对比规划知...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钢，闫硕，赵志晖，卢瑶，刘鑫，李俊杰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11