一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法；为了提高其规划效率并避免逆运动学求解所带来的繁琐计算，设计一种基于人工势场法的拓展策略，用关节空间内发生碰撞的机械臂关节角组来表示相应的障碍物信息，并将其应用于目标偏向的双向快速随机搜索树方法中以此提高机械臂的避障能力；然后提出一种直连策略，在生成新节点前判断当前搜索树的最新节点能否与另一颗搜索树直接相连，以此提高搜索的效率。以此提高搜索的效率。以此提高搜索的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法


[0001]本专利技术涉及一种关节空间内的新型势能指引双向RRT*方法，主要应用于机械臂的路径规划，属于机器人


技术介绍

[0002]路径规划是保障机械臂安全作业的关键技术之一，它能够在给定机械臂的初始状态与目标状态的前提下，使得机械臂可以自动规划出一条无碰撞的最优路径。路径规划方法一般可以分为以下三类：基于图形的搜索方法、人工势场法和基于采样的规划方法。其中RRT方法是目前应用最广泛的路径规划方法中的一种，它是一种基于采样的全局规划方法，并且具有概率完备性，但其收敛速度较慢，且无法保证规划出的路径是最优解，因此针对上述问题在RRT方法的基础上又衍生出三种方法，分别为目标偏向RRT方法，双向RRT方法与RRT*方法。为了进一步提高规划性能，将三种衍生方法彼此结合，得到目标偏向的双向RRT*方法(简称GB
‑
RRT*)。
[0003]机械臂的路径规划既能在任务空间内进行也能在关节空间内进行，但任务空间内的路径规划需要进行逆运动学求解，计算繁琐，效率低，因此本专利技术在关节空间内采用GB
‑
RRT*方法对机械臂进行路径规划。但GB
‑
RRT*方法未考虑障碍物对运动对象的影响，所以规划过程中会出现许多无效节点，从而影响其规划效率。针对上述问题将人工势场法与RRT*方法相结合，减少无效节点的产生并提高了规划效率。然而，基于人工势场法的GB
‑
RRT*方法(简称PB
‑/>RRT*)并不适用于关节空间内的路径规划，因人工势场法需要在障碍物处设置虚拟的排斥力，那么就必须获得障碍物的相关描述信息，但障碍物无法直接在关节空间内进行表述，所以人工势场法无法直接应用于关节空间。
[0004]因此如何在关节空间内有效地描述障碍物信息，是PB
‑
RRT*方法应用于关节空间内机械臂路径规划时亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术索要解决的技术问题是：为了实现机械臂的路径规划并提高其效率，提出了一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法(简称NPB
‑
RRT*)。将人工势场法与GB
‑
RRT*方法相结合，采用发生碰撞的机械臂关节角组来描述关节空间内的障碍物信息，并对关节空间内的NPB
‑
RRT*方法进一步改进，在执行采样操作之前通过直连策略判断两颗搜索树的连通性，以此突破拓展步长的限制从而提高方法的搜索效率。
[0006]本专利技术采用的技术方案是，一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法，具体按照以下步骤实施：
[0007]步骤1，分别在初始关节角q
start
与目标关节角q
goal
处各建立一颗搜索树T1与T2，并将这两组关节角作为各自的根节点；
[0008]步骤2，计算搜索树T1的最新节点q
current
与搜索树T2中所有节点之间的距离，然后挑选出与节点q
current
距离最近的节点q
closest
，并对两者进行直连判断；若结果显示两者无法
直连，则舍弃该局部路径并执行步骤3的操作；反之，则将这两个节点直接相连，并结束整个规划过程；
[0009]步骤3，随机选取搜索树T2中的一个节点作为局部目标点q
localgoal
，然后判断随机概率p
rand
是否小于给定的阈值概率p
threshold
，若小于，则在机械臂关节运动范围内随机选取一组关节角q
rand
作为采样点q
sample
；反之，则将局部目标点q
localgoal
作为采样点q
sample
；
[0010]步骤4，在树T1中搜寻距离采样点q
sample
最近的节点q
near
；
[0011]步骤5，若采样点q
sample
为随机点q
rand
，则在采样点q
sample
与节点q
near
的连线上拓展一个新节点q
new
；若采样点q
sample
为局部目标点q
localgoal
，则通过人工势场法确定拓展方向，并在该方向上拓展一个新节点q
new
；其中点q
new
与节点q
near
之间的距离为拓展步长δ；然后对点q
new
对应的机械臂的空间状态进行碰撞检测，若机械臂不发生碰撞，则将点q
new
作为新节点加入树T1中；反之，则将该点作为描述障碍物的特征点进行保存，且不将其加入树T1，然后跳转到步骤9；
[0012]步骤6，在点q
new
的邻域内重选其父节点，依次将邻域内的各节点当作点q
new
的父节点并计算此时的路径代价，再从中选取路径代价最小的节点作为其新的父节点；
[0013]步骤7，在点q
new
的邻域内进行改线操作，将点q
new
作为各节点的父节点并计算此时的路径代价，若其小于原路径代价，则舍弃该节点原有的父节点而将点q
new
作为其新的父节点；反之，则保留原有的父节点；
[0014]步骤8，检测新节点q
new
是否包含在树T2中或与树T2的某个节点间的距离小于给定阈值，若满足上述条件，则代表树T1与树T2彼此相连，规划过程结束；反之，执行步骤9；
[0015]步骤9，判断当前搜索树是T1还是T2，若是树T1，则将操作对象切换至树T2；若是树T2，则将操作对象切换至树T1；然后返回执行步骤2到步骤8的操作；
[0016]为了进一步实现本专利技术的目的，还可以采用以下技术方案：
[0017]如上所述的一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法，所述步骤2中，直连策略对节点q
current
与节点q
closest
间的关节路径进行离散，检测每个离散点对应的机械臂的末端位置是否落在障碍物的OBB包围盒的边界坐标范围内，如公式(1)所示；若存在离散点落在障碍物的边界坐标范围内，则表示节点q
current
与节点q
closest
无法直接连接；反之，则对每个离散点对应的机械臂的空间状态进行碰撞检测，若每个离散点均不发生碰撞，则表示节点q
current
与节点q
closest
能够直接连接；若存在发生碰撞的离散点，则表示节点q
current
与节点q
closest
无法直接连接；
[0018][0019]其中x...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1，分别在初始关节角q
start
与目标关节角q
goal
处各建立一颗搜索树T1与T2，并将这两组关节角作为各自的根节点；步骤2，计算搜索树T1的最新节点q
current
与搜索树T2中所有节点之间的距离，然后挑选出与节点q
current
距离最近的节点q
closest
，并对两者进行直连判断；若结果显示两者无法直连，则舍弃该局部路径并执行步骤3的操作；反之，则将这两个节点直接相连，并结束整个规划过程；步骤3，随机选取搜索树T2中的一个节点作为局部目标点q
localgoal
，然后判断随机概率p
rand
是否小于给定的阈值概率p
threshold
，若小于，则在机械臂关节运动范围内随机选取一组关节角q
rand
作为采样点q
sample
；反之，则将局部目标点q
localgoal
作为采样点q
sample
；步骤4，在树T1中搜寻距离采样点q
sample
最近的节点q
near
；步骤5，若采样点q
sample
为随机点q
rand
，则在采样点q
sample
与节点q
near
的连线上拓展一个新节点q
new
；若采样点q
sample
为局部目标点q
localgoal
，则通过人工势场法确定拓展方向，并在该方向上拓展一个新节点q
new
；其中点q
new
与节点q
near
之间的距离为拓展步长δ；然后对点q
new
对应的机械臂的空间状态进行碰撞检测，若机械臂不发生碰撞，则将点q
new
作为新节点加入树T1中；反之，则将该点作为描述障碍物的特征点进行保存，且不将其加入树T1，然后跳转到步骤9；步骤6，在点q
new
的邻域内重选其父节点，依次将邻域内的各节点当作点q
new
的父节点并计算此时的路径代价，再从中选取路径代价最小的节点作为其新的父节点；步骤7，在点q
new
的邻域内进行改线操作，将点q
new
作为各节点的父节点并计算此时的路径代价，若其小于原路径代价，则舍弃该节点原有的父节点而将点q
new
作为其新的父节点；反之，则保留原有的父节点；步骤8，检测新节点q
new
是否包含在树T2中或与树T2的某个节点间的距离小于给定阈值，若满足上述条件，则代表树T1与树T2彼此相连，规划过程结束；反之，执行步骤9；步骤9，判断当前搜索树是T1还是T2，若是树T1，则将操作对象切换至树T2；若是树T...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓华，戴骏，张翼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：