一种基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法技术

本发明专利技术涉及机械臂运动学控制与规划领域，公开了一种基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法。改进的机械臂路径规划方法根据建立的机械臂模型进行机械臂的运动学分析，通过修正施密特QR分解求逆方法完成空间机械臂运动学求逆解；考虑可选节点周围障碍物的分布状况，对蚁群算法的状态转移概率进行改进；采用长方体包络法，进行机械臂与障碍物以及机械臂连杆间的碰撞检测；机械臂末端执行器在工作空间内搜索最优路径，进行关节转角求解和碰撞检测，最终实现机械臂路径规划。本发明专利技术方法针对机械臂路径规划问题，对传统的机械臂路径规划蚁群算法进行改进，改进的算法具有较快的收敛速度，获得的路径轨迹较为合理，避障效果良好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法
本专利技术涉及机械臂运动学控制与规划领域，具体涉及一种基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法。
技术介绍
机械臂的路径规划是指在满足工作条件的基础上，尽可能地寻找一条从初始点到目标点距离最短且能避开障碍保证自身安全的最优路径。路径是指由离散点连接而成的空间曲线，并不包含时间概念，而搜寻路径的策略称之为路径规划。对于机械臂而言，路径规划是寻找其自身位姿的一组特定序列，无需考虑位姿的时间因素。通常情况下，路径规划主要包括环境建模和搜索策略两方面的工作。其中，环境建模是将规划空间用数学的方式表达出来，搜索策略是对路径搜索算法的研究，轨迹是在路径的基础上，对构成路径的各个节点赋予时间信息，机械臂的轨迹规划是指给定其末端执行器的跟踪路径，在考虑其动力学及各种形式的约束的前提下，规划出各个关节的位置、速度、加速度等状态随着时间的变化函数。路径规划是一种典型的多目标优化问题，其具有以下几种特点：1)复杂性。当机械臂工作环境较为复杂时，尤其是在动态环境中，避障路径的规划十分复杂，且计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：建立机械臂模型，并根据建立的机械臂模型进行机械臂的运动学分析，通过修正施密特QR分解求逆方法完成空间机械臂运动学求逆解；/n步骤2：考虑可选节点周围障碍物的分布状况，对蚁群算法的状态转移概率进行改进，对蚂蚁k在t时刻由节点i到节点j的状态转移概率进行修正，修正后的计算公式为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立机械臂模型，并根据建立的机械臂模型进行机械臂的运动学分析，通过修正施密特QR分解求逆方法完成空间机械臂运动学求逆解；
步骤2：考虑可选节点周围障碍物的分布状况，对蚁群算法的状态转移概率进行改进，对蚂蚁k在t时刻由节点i到节点j的状态转移概率进行修正，修正后的计算公式为：



其中，γ表示障碍栅格状况的权值，因为可选节点周围障碍栅格状况只是作为一个参考，不能作为主要考虑因素，故γ的值应在[0,1]内取；τij(t)表示各条路径上残留的信息量，ηij表示路径的启发信息；allowedk表示在t时刻蚂蚁k下一步允许选择的节点，α表示信息启发式因子，反映蚁群在运动中残留的信息量的相对重要程度，β表示期望启发式因子，反映了期望值的相对重要程度，ηij(t)表示t时刻节点i转移到节点j的期望启发函数，一般取节点i与节点j之间距离的倒数；job表示节点j周围的障碍物栅格数量，jsum表示节点j周围的栅格数量；
步骤3：采用长方体包络法，进行机械臂与障碍物以及机械臂连杆之间的碰撞检测；
步骤4：机械臂末端执行器在工作空间内搜索最优路径，进行关节转角求解和碰撞检测，实现路径规划。


2.根据权利要求1所述的基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法，其特征在于，所述步骤1的空间机械臂运动学求逆解具体方法为：
步骤1.1：根据D-H法，确定相邻两连杆i和i+1之间的变换矩阵：



其中，i表示杆件号，θ表示关节角，α表示扭角，a表示连杆长度，d表示连杆偏距；
步骤1.2：建立第i连杆在空间中的位姿矩阵：



步骤1.3：建立机械臂运动学方程：



其中，[noa]为姿态矩阵，[P]为位置向量；
步骤1.4：针对步骤1.3中机械臂运动学方程，带入已知的关节变量θ和连杆偏距d，即可获得机械臂末端执行器的位姿，记为基坐标；
步骤1.5：计算相对于基坐标的雅克比矩阵J的伪逆解J+：
J+＝JT(JJT)-1
步骤1.6：利用修正施密特QR分解方法计算(JJT)-1，使上三角矩阵R的元素不是按列，而是按行计算；
步骤1.7：通过QR分解将JJT分解为一个正交矩阵和一个上三角矩阵，正交矩阵通过转置得逆解，上三角矩阵通过初等变换得逆解：
JJT＝QR
(JJT)-1＝R-1Q-1＝R-1QT；
步骤1.8：通过修正施密特QR分解求逆方法得到(JJT)-1后，再通过矩阵相乘从而求得J+，最后乘上末端速度得到关节角速度，完成空间机械臂运动学求逆解。


3.根据权利要求1所述的基于改进蚁群算法的可碰撞检测机械臂路径规划方法，其特征在于，所述步骤2对蚁群算法的状态转移概率进行改进的具体方法为：
步骤2.1：根据蚁群算法，蚂蚁k在t时刻由节点i到节点j的状态转移概率，将由各条路径上残留的信息量τij(t)及路径的启发信息ηij计算所得，即：



步骤2.2：为了避免残留信息素对启发信息产生影响，对残留信息素进行更新处理：
τij(t+n)＝(1-ρ)·τij(t)+Δτij(t)



其中，ρ表示信息素挥发系数，Δτij(t)表示本次循环中路径(i,j)上的信息素增量，表示第k只蚂蚁在本次循环中路径(i,j)上的残留信息量；
步骤2.3：采用蚁周模型计算



其中，Q表示常量，指蚂蚁在循环一周或一个过程的路径上所释放的信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪伟，叶棋伟，张粤，王子祥，徐敏，张钰，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32