一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法制造技术

本发明专利技术涉及机器人运动规划技术领域，特别是一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法。包括以下过程：1)任务轨迹规划：确定机械臂执行末端从任务初始位置移动到任务终止位置的任务轨迹点，针对每个轨迹点求动力学逆解组，遍历每一个逆解，找到遍历成功率最高的路径作为最终的任务轨迹规划；2)自由轨迹规划：计算机械臂当前姿态的关节位移量，并利用任务轨迹规划计算得到初始姿态的关节位移量，建立机械臂执行末端从当前位置开始移动到任务初始位置的路径规划。采用上述方案，可以快速准确规划获得从任意机械臂当前位置到机械臂任务操作路径的运动轨迹，执行精度高，可以满足水泥砂浆喷抹任务需求。

An End Path Planning Method for Mortar Spraying Construction Robot

The invention relates to the technical field of robot motion planning, in particular to an end path planning algorithm for a mortar spraying construction robot. It includes the following processes: 1) task trajectory planning: determining the trajectory points of the end of the manipulator moving from the initial position of the task to the end position of the task, solving the inverse dynamic solution group for each trajectory point, traversing each inverse solution, finding the path with the highest trajectory success rate as the final task trajectory planning; 2) free trajectory planning: calculating the joint displacement of the current attitude of the manipulator; Then, the joint displacement of the initial attitude is calculated by task trajectory planning, and the path planning of the end of the manipulator moving from the current position to the initial position of the task is established. With the above scheme, the trajectory from the current position of any manipulator to the operation path of the manipulator can be quickly and accurately planned, and the execution accuracy is high, which can meet the needs of cement mortar spraying task.

【技术实现步骤摘要】
一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法
本专利技术涉及机器人运动规划
，特别是一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法。
技术介绍
在常见的室内建筑施工中，原始的建筑墙面，例如砖墙以及混凝土墙面，需要通过喷抹水泥砂浆，从而达到墙面平面度、阴阳角垂直度等质量评估标准要求，便于后续的房屋装修处理。水泥砂浆的喷抹操作现在主要通过人工操作完成，施工效率低，劳动强度大。传统施工环境粉尘严重，工作环境恶劣，对施工工人造成严重的身体健康隐患。除此之外，因为专业技术水平差异，人工操作难以保证施工质量，存在墙面不平整，空鼓开裂等严重质量问题，给建筑施工的验收造成了极大的负面影响。随着时代进步，工业技术不断发展，机器人在现代工业得到了越来越广泛的使用，本专利技术利用多自由度机械臂替代人工操作，完成建筑施工中的水泥砂浆喷抹任务。在利用机器人技术实现该任务的自动化过程中，一个亟需解决的问题就是高自由度机械臂在复杂建筑施工环境内的路径规划问题。在机械臂末端路径规划问题中，常见解决方法包括人工势场法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群优化算法等。但是，在复杂操作环境内，上述方法复杂度较高，并且需要完成对工作环境的三维建模，不适合建筑施工环境内水泥砂浆喷抹任务的规划。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法。本专利技术采用的技术方案如下：一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法，包括以下过程：任务轨迹规划：确定机械臂执行末端从任务初始位置移动到任务终止位置的任务轨迹点，针对每个轨迹点求动力学逆解组，遍历每一个逆解，找到遍历成功率最高的路径作为最终的任务轨迹规划；自由轨迹规划：计算机械臂当前姿态的关节位移量，并利用任务轨迹规划计算得到初始姿态的关节位移量，建立机械臂执行末端从当前位置开始移动到任务初始位置的路径规划。进一步的，任务轨迹规划包括以下过程：(a)根据墙面几何信息确定操作任务的路径，路径上的路径点表示为P＝[Ps,P1,..Pi..,Pk,Pe]，Ps为路径上任务初始位置，Pe为路径上任务终止位置，Pi为第i个路径点，i∈[1,2…,k]；(b)针对每一个路径点Pi，基于不同的位姿，得每个位姿对应的完整运动学逆解组Ci；(c)遍历初始姿态的每一个逆解Cs,i，针对初始姿态的每一个逆解Cs,i，在路径点P1的动力学逆解中寻找在关节空间内距离最近的动力学逆解C1,j，其中j表示每个位姿对应的多个逆解的编号；依次类推，针对路径点Pi位姿的每一个逆解，在路径点Pi+1的动力学逆解中寻找在关节空间内距离最近的动力学逆解Ci+1,nn；如果距离最近的动力学逆解Ci+1,nn与上一个距离最近的动力学逆解Ci,j的距离超过阈值，则终止当前逆解序列的遍历；(d)针对初始姿态的每一个逆解，按照步骤(c)的方法依次往后面的路径点遍历任务轨迹的路径中所有的位姿，直到所有路径点遍历完成或者中途终止机械臂运动；(e)遍历的成功率表示为其中q为遍历终止时刻位置的索引数，n为动力学逆解组个数；选择遍历成功率高的路径作为最终的任务轨迹规划。进一步的，所述步骤(c)中，利用二范数得到的关节空间内最近距离搜索方法为：其中，Ci+1,nn表示在第i+1个姿态动力学逆解组Ci+1中找到的距离最近的动力学逆解，wk表示第i+1个位置动力学逆解中第k个关节的位移量，表示第i个位姿中第j个动力学逆解Ci,j中第k个关节的配置。进一步的，所述步骤(e)中，如果存在多个遍历成功率相同的路径，则选取初始关节配置与机械臂当前关节配置最接近的路径。进一步的，自由轨迹规划包括以下过程：(A)在六自由度空间内，首先获取当前姿态Pc的关节位移量wc＝wc,i其中i＝1,2,3,4,5,6，wc,i表示各个关节的位移量，构造图数据结构对象Gc；然后利用任务轨迹规划计算得到的初始姿态Ps关节位移量ws，构造图数据结构对象Gs；(B)在关节空间中作随机点采样得到wrand点，然后在图数据结构对象Gc中找到距离wrand点最近的wcn点；根据算法设定的关节空间移动步长λ，我们计算新位移量wnew如下：并将其插入到图数据结构对象Gc中；(C)按照步骤(B)，在Gs中找到距离wrand点最近的wsn点，然后根据同样的方法计算得到新未来量wnew并添加到Gs中；(D)交替着顺序执行步骤(B)和步骤(C)的随机点采样扩展，直到图数据结构对象Gc和图数据结构对象Gs连接上为止，找出当前位置到初始位置的最短路径为最终的自由轨迹规划。与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用本专利技术的技术方案，可以快速准确规划获得从任意机械臂初始位置到机械臂任务操作路径的运动轨迹，执行精度高，可以满足水泥砂浆喷抹任务需求。附图说明图1是喷抹轨迹的几字形轨迹示意图。图2是喷抹轨迹的之字形轨迹示意图。图3是对应一个末端的不同动力学逆解示意图。图4是本专利技术规划自由轨迹示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法，对于不同的操作墙面和任务方式，先不管机械臂当前位置，首先生成满足工艺需求的任务执行轨迹；再从工作开始前机械臂的当前位置出发，完成当前位置到初始位置的自由路径规划：任务轨迹规划：确定机械臂执行末端从任务初始位置移动到任务终止位置的任务轨迹点，针对每个轨迹点求动力学逆解组，遍历每一个逆解，找到遍历成功率最高的路径作为最终的任务轨迹规划；自由轨迹规划：计算机械臂当前姿态的关节位移量，并利用任务轨迹规划计算得到初始姿态的关节位移量，建立机械臂执行末端从当前位置开始移动到任务初始位置的路径规划。任务轨迹规划的实施例：(a)根据墙面几何信息，墙面几何信息包括墙面的法向量nwall，墙面相对于机械臂基座的距离dwall，机器人在完成砂浆喷抹时机械臂末端需要垂直于墙面，即和法向量平行，而且砂浆喷抹时对机械臂基座离墙面的距离必须满足一定的要求，因此需要基于以上几何信息确定操作任务路径。以矩形的墙面为例，如图1所示，常见的喷抹轨迹有两种：之字形轨迹(如图1)与几字形轨迹(如图2)。图1和2中虚线表示机械臂末端需要遍历的任务路径，虚线上的点表示该轨迹上的路径点。路径上的路径点表示为P＝[Ps,P1,..Pi..,Pk,Pe]，Ps为路径上任务初始位置，Pe为路径上任务终止位置，Pi为第i个路径点，i∈[1,2…,k]；(b)针对每位置的路径点Pi，得到每个位姿对应的完整运动学逆解组Ci，由于多自由度机器人动力学模型特点，每个指定作业位姿均存在多个且数量未知的逆运动学解，即Ci＝Ci,1∶n，其中n为动力学逆解的数量，因此这里会得到多个逆解，得到的是一个动力学逆解组；对应一个末端位姿，会存在多个不同的动力学逆解并且差别显著。以图3中的两个动力学逆解为例，虚线圆圈标识出来的关节位置存在很大的差别，而类似的差别在不同的环境下将会对机器人的运动约束产生显著的影响。(c)遍历初始姿态的每一个逆解Cs,i，针对初始姿态的每一个逆解Cs,i，在路径点P1的动力学逆解中寻找在关节空间内距离最近的动力学逆解C1,j，其中j表示每个位姿对应的多个逆解的编号；依次类推，针对路径点Pi位姿的每一个逆解，在路径点Pi+1的动力学逆解中寻找在关节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法，其特征在于，包括以下过程：任务轨迹规划：确定机械臂执行末端从任务初始位置移动到任务终止位置的任务轨迹点，针对每个轨迹点求动力学逆解组，遍历每一个逆解，找到遍历成功率最高的路径作为最终的任务轨迹规划；自由轨迹规划：计算机械臂当前姿态的关节位移量，并利用任务轨迹规划计算得到初始姿态的关节位移量，建立机械臂执行末端从当前位置开始移动到任务初始位置的路径规划。

【技术特征摘要】
1.一种砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法，其特征在于，包括以下过程：任务轨迹规划：确定机械臂执行末端从任务初始位置移动到任务终止位置的任务轨迹点，针对每个轨迹点求动力学逆解组，遍历每一个逆解，找到遍历成功率最高的路径作为最终的任务轨迹规划；自由轨迹规划：计算机械臂当前姿态的关节位移量，并利用任务轨迹规划计算得到初始姿态的关节位移量，建立机械臂执行末端从当前位置开始移动到任务初始位置的路径规划。2.如权利要求1所述的砂浆喷抹建筑机器人的末端路径规划算法，其特征在于，任务轨迹规划包括以下过程：(a)根据墙面几何信息确定操作任务的路径，路径上的路径点表示为P＝[Ps,P1,..Pi..,Pk,Pe]，Ps为路径上任务初始位置，Pe为路径上任务终止位置，Pi为第i个路径点，i∈[1,2,...,k]；(b)针对每一个路径点Pi，基于不同的位姿，得每个位姿对应的完整运动学逆解组Ci；(c)遍历初始姿态的每一个逆解Cs,i，针对初始姿态的每一个逆解Cs,i，在路径点P1的动力学逆解中寻找在关节空间内距离最近的动力学逆解C1,j，其中j表示每个位姿对应的多个逆解的编号；依次类推，针对路径点Pi位姿的每一个逆解，在路径点Pi+1的动力学逆解中寻找在关节空间内距离最近的动力学逆解Ci+1,nn；如果距离最近的动力学逆解Ci+1,nn与上一个距离最近的动力学逆解Ci,j的距离超过阈值，则终止当前逆解序列的遍历；(d)针对初始姿态的每一个逆解，按照步骤(c)的方法依次往后面的路径点遍历任务轨迹的路径中所有的位姿，直到所有路径点遍历完成或者中途终止机械臂运动；(e)遍历的成功率表示为其中q为遍历终止时刻位置的索引数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨发友，吴侃之，
申请(专利权)人：成都天富若博特科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51