一种多臂机器人机械臂干涉分析方法技术

本发明专利技术公开了一种多臂机器人机械臂干涉分析方法，涉及空间机器人领域。首先利用LSS线性扫描球模型包络结构复杂的空间机械臂，实现机械臂的简化。机械臂简化模型包括三个组件，分别是中间部分的圆柱体和两端部分的半球体。通过求解和判断在干涉时刻下，各组件的有效干涉点，进而判断出LSS模型处于干涉状态，即机械臂干涉。建立了任意位置下的干涉分析判断准则，得到了两个圆柱体之间、圆柱体与半球体之间、两个半球体之间的干涉分析算法。本发明专利技术提出的干涉分析方法可以准确的判断出机械臂之间的干涉状态。

A Method of Interference Analysis for Dobby Robot Manipulator

The invention discloses an interference analysis method of a dobby robot manipulator, which relates to the field of space robots. Firstly, the LSS linear scanning sphere model envelope structure of space manipulator is used to simplify the manipulator. The simplified model of the manipulator consists of three components: a cylinder in the middle and a hemisphere in the two ends. By solving and judging the effective interference points of each component at the interference time, the LSS model is judged to be in the interference state, that is, the interference of the manipulator. The criterion of interference analysis at any position is established, and the interference analysis algorithms between two cylinders, between cylinders and hemispheres, and between two hemispheres are obtained. The interference analysis method proposed by the invention can accurately judge the interference state between manipulators.

【技术实现步骤摘要】
一种多臂机器人机械臂干涉分析方法
本专利技术属于空间机器人领域，具体涉及一种多臂机器人机械臂干涉分析方法。
技术介绍
工业机器人是出现的最早，也是应用最广的一种机器人。但是随着机器人技术渗透到交通、医疗、教育等与人类生活密切相关的领域之后，工业机器人因为其笨重的外形和单一的动作受到了发展的限制，更加灵活可靠的多臂机器人应用而生。多臂机器人尤其是在人机协同操作方面表现出了巨大的优势，也是未来机器人技术发展的趋势之一。多臂机器人是更加接近人类动作的仿人型机器人，人类具有学习思考的思维能力，可以通过各种感官来判断两只手臂的位置，通过大脑来控制两只手臂协同完成相应的动作，但是机器人需要使用控制算法来保证机械手臂的协同运动，协同运动其中很重要的一点就是手臂不能发生碰撞，使他们在各自规划好的路径内运动，这就需要对多臂机器人进行机械臂的干涉分析和避碰控制。所谓干涉分析，是指构造一定的数学判据和准则，来判断机器人手臂、各连杆之间及其与工作空间障碍物之间，是否处于干涉或不干涉两种状态，是否具有无干涉路径规划和避碰控制所要求的各种性质。空间机械臂的组成较为复杂，为了提高运算效率，在进行干涉分析时，需要将机械臂简化，最常用的方法就是利用简单几何体对实际模型进行包络。准确的进行机械臂的干涉分析可以找出机械臂之间，以及机械臂和障碍物之间干涉判断准则，为机械臂的避碰控制提供前期研究基础。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题提供了一种多臂机器人机械臂干涉分析方法来进行问题的解决。首先采用LSS线性扫描球模型实现对复杂机械臂的简化，将其简化成中间是圆柱体两端是半球体的杆件模型，并进行区域划分。由于LSS包围体边界面是连续的，可表示为时间t的函数：LA(t)和LB(t)。其组件可分别表示为：中间圆柱体CA(t)和CB(t)，前端半球体S1A(t)和S1B(t)，后端半球体S2A(t)和S2B(t)，两LSS包围体圆柱及半球体的半径分别为rA，rB。将有限长度的圆柱体CA(t)和CB(t)，沿轴线延长为长度无限的圆柱体C∞A(t)和C∞B(t)；用l∞A和l∞B分别表示C∞A(t)和C∞B(t)的轴线；用lA(t)和lB(t)表示包含在圆柱体CA(t)和CB(t)内部的轴线部分。P1A(t)，P2A(t)和P1B(t)，P2B(t)分别为线段lA(t)和lB(t)的两个端点，VA(t)和VB(t)分别为lA(t)和lB(t)的方向向量，P∞A(λ;t)和P∞B(λ;t)分别为l∞A(t)和l∞B(t)的直线方程，用O1A(t)=P1A(t)表示S1A(t)的球心，O1B(t)=P1B(t)表示S1B(t)的球心。假设在t0∈[0,+∞]时刻，两个实体LA(t)和LB(t)的边界面发生干涉，则发生运动干涉的充要条件是：在它们的边界上有共同的交点Q0。每一步的干涉分析过程中，需要先计算出LSS模型各组件之间的干涉点Q0，然后对Q0是否同时位于各组件的边界上进行判断，即干涉点有效性判断，若干涉点均处于两个LSS模型的组件上，则为有效干涉点，其他情况均为无效干涉点需进行下一步的干涉判断。干涉分析时，第一步先进行LSS模型中两延长圆柱体的干涉分析；若第一步无法判定两LSS体之间是否发生干涉，则需进一步判断圆柱体与半球体之间的干涉情况；如果前两步均无法判断出两个LSS体的干涉状态，则需要经过两个半球体的干涉分析进行判断。进一步的，两圆柱体发生干涉的充分必要条件是存在干涉时刻t0∈[0,+∞]，两延长圆柱体C∞A(t)和C∞B(t)间的距离为0，当VA(t)×VB(t)=0时，Q0必为有效干涉点；当VA(t)×VB(t)≠0时，设l∞A(t0)上的点P∞A(λA1;t0)与l∞B(t0)上的点P∞B(λB1;t0)之间距离为两直线间的最短距离，通过方程[VA(t)×VB(t)]×[PA(λA1;t0)-PB(λB1;t0)]=0可以求得λA1与λB1的值，当点PA(λA1;t0)必在线段lA(t0)上且PB(λB1;t0)必在线段lB(t0)上，即0≤λA1≤1，0≤λB1≤1时，Q0为有效干涉点。进一步的，圆柱体和半球体发生干涉的充要条件是存在干涉时刻t0∈[0,+∞]，圆柱体CA(t)和半球体S1B(t)间的距离为0，如果满足λA2∈[0,1]且指向球心O1B(t0)的向量O1B(t0)-PA(λA2;t0)与通过球心O1B(t0)方向向外的LB(t0)轴线单位向量VB(t0)的夹角α∈[π/2,π]，则Q0为有效干涉点。进一步的，两半球体发生干涉的充分必要条件是存在干涉时刻t0∈[0,+∞]，两个半球S1A(t)和S1B(t)间的距离为0，在半球体S1A(t0)上，通过半球表面中心的向量VA(t0)与指向球心的任意向量的最小夹角为π/2，同理在半球体S1B(t0)上，通过半球表面中心的向量VB(t0)与指向球心的任意向量的最小夹角为π/2，则Q0为有效干涉点。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：提出了LSS线性扫描球模型简化复杂机械臂的方法，有效实现了空间多臂机器人机械臂在任意位置下的干涉分析方法，提出了干涉分析判断准则。对于机器人运动控制中进一步实现机械臂避碰控制研究奠定了基础。附图说明图1是机械臂干涉分析的流程图。图2是LSS模型区域划分示意图。图3是圆柱体与圆柱体之间的干涉分析数学模型图。图4是圆柱体与半球体之间的干涉分析数学模型图。图5是半球体与半球体之间的干涉分析数学模型图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍。如图1所示，本专利技术提出的干涉分析方法的具体步骤如下：第一步：判断两圆柱体间的干涉情况。将两个有限长度的圆柱体，沿轴线方向进行无限延长。计算这两个无限长圆柱体的距离，若不发生干涉，则有限长度圆柱体必定不会发生干涉，并且两个LSS模型也不会发生干涉。若发生干涉，则进一步判断发生干涉的点的有效性，即判断干涉点是否都处于LSS模型的圆柱体上。若干涉点均处于两个LSS模型的圆柱体上，则该点为有效干涉点，即两圆柱体会发生干涉，可以判断LSS模型发生了干涉；其他情况（仅在一个圆柱体上或不在任何一个圆柱体上）则为两个圆柱体的无效干涉点，两圆柱体没有发生干涉，但此时还无法判断两个LSS模型是否有干涉，需用进行进一步的判断。第二步：若第一步的干涉点仅在一个圆柱体上（假设为左侧手臂圆柱体，若为右侧则交换左右手臂的LSS数据），继续判断该点是否为此圆柱体与右侧LSS模型中半球体的有效干涉点。计算右侧LSS端点到左侧LSS轴线的距离最小点。通过向量方向判断干涉点的有效性。若有效，则圆柱体与半球体发生干涉，否则，柱体与半球体不发生干涉，但无法判断两个LSS是否处于干涉状态，进入第三步。第三步：若第一步的干涉点不在任何一个在圆柱体上，计算左右LSS端点向量与轴线向量的方向性，就可判断出干涉点的有效性，此时，有效的干涉点可断定LSS发生干涉，无效的干涉点则断定LSS不会发生干涉。如图2所示，首先利用LSS线性扫描球模型将复杂机械臂简化成中间为圆柱体，两端为半球体的空间模型。并进行区域划分，用符号L表示LSS模型，C表示LSS模型中的圆柱体，S1和S2表示两端半球体。处于相对运动中的两个连杆的LSS包围体，可表示为关于时间t的函数：LA(t)和L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多臂机器人机械臂干涉分析方法，其特征是：首先采用LSS线性扫描球模型实现对复杂机械臂的简化，将其简化成中间是圆柱体两端是半球体的杆件模型，并进行区域划分；由于LSS包围体边界面是连续的，可表示为时间

【技术特征摘要】
1.一种多臂机器人机械臂干涉分析方法，其特征是：首先采用LSS线性扫描球模型实现对复杂机械臂的简化，将其简化成中间是圆柱体两端是半球体的杆件模型，并进行区域划分；由于LSS包围体边界面是连续的，可表示为时间t的函数：LA(t)和LB(t)；其组件可分别表示为：中间圆柱体CA(t)和CB(t)，前端半球体S1A(t)和S1B(t)，后端半球体S2A(t)和S2B(t)；两LSS包围体圆柱及半球体的半径分别为rA，rB；将有限长度的圆柱体CA(t)和CB(t)，沿轴线延长为长度无限的圆柱体C∞A(t)和C∞B(t)；用l∞A和l∞B分别表示C∞A(t)和C∞B(t)的轴线；用lA(t)和lB(t)表示包含在圆柱体CA(t)和CB(t)内部的轴线部分；P1A(t)，P2A(t)和P1B(t)，P2B(t)分别为线段lA(t)和lB(t)的两个端点；VA(t)和VB(t)分别为lA(t)和lB(t)的方向向量；P∞A(λ;t)和P∞B(λ;t)分别为l∞A(t)和l∞B(t)的直线方程；用O1A(t)=P1A(t)表示S1A(t)的球心，O1B(t)=P1B(t)表示S1B(t)的球心；假设在t0∈[0,+∞]时刻，两个实体LA(t)和LB(t)的边界面发生干涉，则发生运动干涉的充要条件是：在它们的边界上有共同的交点Q0；每一步的干涉分析过程中，需要先计算出LSS模型各组件之间的干涉点Q0，然后对Q0是否同时位于各组件的边界上进行判断，即干涉点有效性判断，若干涉点均处于两个LSS模型的组件上，则为有效干涉点，其他情况均为无效干涉点需进行下一步的干涉判断；干涉分析时，第一步先进行LSS模型中两延长圆柱体的干涉分析；若第一步无法判定两LSS体之间是否发生干涉，则需进一步判断圆柱体与半球体之间的干涉情况；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵洪华，赵建，胡志通，曹树坤，鲁守银，公续银，韩其飞，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37