一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统技术方案

本发明专利技术涉及一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，通过建立三维视景仿真系统，基于几何关系的碰撞检测，进而利用关节空间随机采样方法，计算搜索出一组与周围环境无碰撞、且满足机械臂运动能力的轨迹。本发明专利技术对空间机械臂各关节及基座上的各部件进行凸处理；同时计算机械臂的操作空间，对操作空间之外的部件不进行碰撞检测，以此优化碰撞检测算法，提高计算效率；设计了基于关节空间随机采样的规划算法，可通过简单地的迭代计算搜索出一组与周围环境无碰撞、且满足机械臂运动能力的轨迹数据，无需考虑复杂的建模过程；对于已有轨迹数据，可以将该组轨迹的运行状态通过三维视景仿真直观地动态展示，减少错误指令发送给真实空间机械臂的风险。

A global collision free trajectory planning system for space manipulator

【技术实现步骤摘要】
一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统
本专利技术涉及一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，包括人机交互模块、三维视景仿真及碰撞检测模块和无碰轨迹规划模块，属于机器人仿真

技术介绍
目前，研制一条真实空间机械臂的成本代价很高，三维视景仿真主要是利用虚拟现实技术，在数据的驱动下，对空间机械臂运动进行三维可视化演示，在不需要真实硬件的条件下，可以深入地研究空间机械臂的安全运动问题。同时，我们知道，针对机械臂的轨迹规划需要在三维空间内进行，正确地描述这种以曲面为边界的空间是解决机器人无碰轨迹规划的关键所在。此外，对于空间机械臂而言，在地面上首先通过仿真系统对指令序列进行验证，进而再将指令发送给真实的空间机械臂执行，是一种减小风险、提高安全性的通常做法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，通过建立三维视景仿真系统，基于几何关系的碰撞检测，实时标记出空间机械臂与周围环境的最短距离，进而利用关节空间随机采样方法，计算搜索出一组与周围环境无碰撞、且满足机械臂运动能力的轨迹数据，避免了复杂的动力学建模、求解过程。本专利技术的技术解决方案是：提供一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，包括碰撞检测模块、关节空间随机采样模块、路径搜索器、逆运动学模块、路径优化器以及轨迹生成模块；碰撞检测模块接收输入的空间机械臂DH参数、初始及目标构型以及环境信息，接收关节空间随机采样模块生成的空间机械臂构型，计算构型自身是否发生碰撞，接收路径搜索器输出的局部路径，判断局部路径中空间机械臂与基座各部件是否发生碰撞；关节空间随机采样模块接收空间机械臂DH参数，生成所有可能的构型，并通过碰撞检测模块选出自本身无碰撞的构型发送给路径搜索器；逆运动学模块接收空间机械臂DH参数以及末端执行器的初始与期望位姿，将其变换为构型发送给路径搜索器；路径搜索器连接构型形成多条局部路径，并通过碰撞检测模块选出无碰撞的局部路径发送给路径优化器；路径优化器，基于无碰撞的局部路径生成多个可行的从初始构型到期望构型的全局路径，按照关节空间最短路径的约束进行优化后，发送给轨迹生成模块；轨迹生成模块使用空间机械臂的最大运动速度与帧率对优化后的路径作插值，生成一条含时轨迹。优选的，碰撞检测模块，根据DH参数计算空间机械臂的操作空间，对操作空间之外的基座部件不进行碰撞检测。优选的，还包括模型凸处理模块，对空间机械臂各个关节以及基座各部件进行凸处理，构建包围盒，使各个关节及基座各部件成为凸面体。优选的，碰撞检测模块采用GJK算法进行碰撞检测，在三维空间中检测两凸面体是否重叠、相交或分离，如果存在重叠、相交表明会发生碰撞。优选的，路径搜索器使用快速搜索随机树算法，沿空间机械臂期望构型方向搜索构型空间，通过连接采样得到的无碰构型形成多条局部路径。优选的，路径优化器优化的方法为，取最短路径上任意两点，如果连接两点的直线间的运动不会发生碰撞，则使用直线代替两点间原来路径，直至遍历路径中的所有点，获得优化后的路径。优选的，轨迹生成模块获取优化后的路径，令q1,q2,...qj,...,qN为路径上的多个关节向量描述，wm为各个关节运动的最大角速度，tp为每帧的时间间隔，i为空间机械臂关节数，在第i个关节的相邻第j个路径点与第j-1个路径点之间线性插入n个点使路径满足机械臂运动能力的要求，其中从而获得机械臂含时轨迹。优选的，还包括数据驱动模块，对空间机械臂及基座各部件进行建模，按照空间机械臂的含时轨迹，将空间机械臂从初始构型至目标构型的运动过程形成动画并演示。优选的，还包括三维视景仿真模块，根据真实的宇宙环境，构建仿真环境，作为动画背景。优选的，仿真环境包括一个有宇宙星空贴图的背景图；建立一个太阳系节点，其他渲染的元素必须渲染在这个太阳系节点中；进行地球和月球的绘制和渲染；将空间机械臂及基座各部件在SolidWorks建模软件中进行模型分解，形成STP格式可视化三维模型，转换为IGS格式，在3DMax软件中添加熏染信息，转换成IVE格式，通过OSG三维渲染引擎实现三维视景仿真显示。优选的，三维视景仿真模块还包括采集模块，采集空间机械臂模型中各关节之间的距离并显示，采集空间机械臂模型中各关节与基座各部件模型之间的最短距离并显示，采集各个关节角角度并显示。优选的，还包括人机交互模块，接收操作指令，通过数据驱动模块获得对应的构型，并通过三维视景仿真模块显示空间机械臂构型，采集空间机械臂模型中各关节之间的距离并显示，采集空间机械臂模型中各关节与基座各部件模型之间的最短距离并显示，采集各个关节角角度并显示。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术对空间机械臂各关节及基座上的各部件进行凸处理；同时计算机械臂的操作空间，对操作空间之外的部件不进行碰撞检测，以此优化碰撞检测算法，提高计算效率。(2)本专利技术设计了基于关节空间随机采样的规划算法，可通过简单地的迭代计算搜索出一组与周围环境无碰撞、且满足机械臂运动能力的轨迹数据，无需考虑复杂的建模过程。(3)本专利技术对于已有轨迹数据，可以将该组轨迹的运行状态通过三维视景仿真直观地动态展示，再结合碰撞检测验证轨迹运行过程中的安全性和正确性，可以减少错误指令发送给真实空间机械臂的风险，辅助提高操作的安全性。附图说明图1为本专利技术的人机交互模块信息流图；图2为本专利技术的碰撞检测优化处理流程图；图3为本专利技术的无碰轨迹规划算法流程图。具体实施方式本专利技术的空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，首先需要具备状态显示和指令驱动的功能。其次，需要根据真实的宇宙环境和空间机械臂(含基座)模型，搭建出近似的仿真环境；并可对空间机械臂运动进行碰撞检测，计算与环境的最短距离。最后，需要根据输入的空间机械臂相关信息以及周围的环境信息，计算搜索出一组与周围环境无碰撞、且满足机械臂运动能力的轨迹数据并输出和保存。一、人机交互模块设计本专利技术涉及的三维视景仿真及碰撞检测的空间机械臂全局无碰轨迹规划系统通过操作人员指令接收模块接收操作指令，用户可以通过向三维视景仿真系统发送轨迹规划指令与参数，完成轨迹规划过程，并保存轨迹数据；也可以向三维视景仿真系统发送已有的轨迹数据，用于在三维视景仿真中复现。此外，系统通过空间机械臂状态显示模块在三维视景仿真主界面上呈现空间机械臂状态，包括空间机械臂在指令驱动下的实时构型和相关信息，如空间机械臂与周围环境(包括关节之间)的最短距离、末端关节与周围环境和其他关节的最短距离、各个关节角角度、星时，以及通讯信息等。二、三维视景仿真环境搭建系统首先根据真实的宇宙环境和空间机械臂模型，搭建出近似的仿真环境。具体地，宇宙环境主要包含了一个有宇宙星空贴图的背景图，来模拟宇宙星空环境。宇宙星空贴图的背景图被设置为绝对投影，无论仿真视野如何变化，背景图的方位和大小都不会改变，这样就模拟出了一个相对静止的宇宙背景。同时建立一个太阳系节点，其他渲染的元素必须渲染在这个太阳系节点中，这样就保证了其他元素被包含在太阳系中。太阳的绘制使用了基于标志板的技术，标志板技术是一项使三维场景中的二维表面，一直朝向仿真视野的技术。太阳的绘制就是一张拥有太阳贴图的标志板，它始终朝向于仿真视野，实现了类似太阳的效果。月球的绘制使用常规的绘制方法。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，其特征在于，包括碰撞检测模块、关节空间随机采样模块、路径搜索器、逆运动学模块、路径优化器以及轨迹生成模块；碰撞检测模块接收输入的空间机械臂DH参数、初始及目标构型以及环境信息，接收关节空间随机采样模块生成的空间机械臂构型，计算构型自身是否发生碰撞，接收路径搜索器输出的局部路径，判断局部路径中空间机械臂与基座各部件是否发生碰撞；关节空间随机采样模块接收空间机械臂DH参数，生成所有可能的构型，并通过碰撞检测模块选出自本身无碰撞的构型发送给路径搜索器；逆运动学模块接收空间机械臂DH参数以及末端执行器的初始与期望位姿，将其变换为构型发送给路径搜索器；路径搜索器连接构型形成多条局部路径，并通过碰撞检测模块选出无碰撞的局部路径发送给路径优化器；路径优化器，基于无碰撞的局部路径生成多个可行的从初始构型到期望构型的全局路径，按照关节空间最短路径的约束进行优化后，发送给轨迹生成模块；轨迹生成模块使用空间机械臂的最大运动速度与帧率对优化后的路径作插值，生成一条含时轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，其特征在于，包括碰撞检测模块、关节空间随机采样模块、路径搜索器、逆运动学模块、路径优化器以及轨迹生成模块；碰撞检测模块接收输入的空间机械臂DH参数、初始及目标构型以及环境信息，接收关节空间随机采样模块生成的空间机械臂构型，计算构型自身是否发生碰撞，接收路径搜索器输出的局部路径，判断局部路径中空间机械臂与基座各部件是否发生碰撞；关节空间随机采样模块接收空间机械臂DH参数，生成所有可能的构型，并通过碰撞检测模块选出自本身无碰撞的构型发送给路径搜索器；逆运动学模块接收空间机械臂DH参数以及末端执行器的初始与期望位姿，将其变换为构型发送给路径搜索器；路径搜索器连接构型形成多条局部路径，并通过碰撞检测模块选出无碰撞的局部路径发送给路径优化器；路径优化器，基于无碰撞的局部路径生成多个可行的从初始构型到期望构型的全局路径，按照关节空间最短路径的约束进行优化后，发送给轨迹生成模块；轨迹生成模块使用空间机械臂的最大运动速度与帧率对优化后的路径作插值，生成一条含时轨迹。2.如权利要求1所述的空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，其特征在于，碰撞检测模块，根据DH参数计算空间机械臂的操作空间，对操作空间之外的基座部件不进行碰撞检测。3.如权利要求2所述的空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，其特征在于，还包括模型凸处理模块，对空间机械臂各个关节以及基座各部件进行凸处理，构建包围盒，使各个关节及基座各部件成为凸面体。4.如权利要求3所述的空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，其特征在于，碰撞检测模块采用GJK算法进行碰撞检测，在三维空间中检测两凸面体是否重叠、相交或分离，如果存在重叠、相交表明会发生碰撞。5.如权利要求3所述的空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，其特征在于，路径搜索器使用快速搜索随机树算法，沿空间机械臂期望构型方向搜索构型空间，通过连接采样得到的无碰构型形成多条局部路径。6.如权利要求3所述的空间机械臂全局无碰轨迹规划系统，其特征在于，路径优化器优化的方法为，取最短路径上任意两点，如果连接两点的直线间的运动不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，魏春岭，何英姿，徐拴锋，张海博，孙鲲，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11