基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法及系统，本发明专利技术对人工势场法进行改进：在改进人工势场法中，将势场力与机械臂关节速度直接相关。这一改动不仅减少了算法的计算量，且解决了机械臂在目标的振荡问题。在人工势场法中的引力场函数中设置一阈值距离，当机械臂到目标点之间的距离大于此阈值距离后，引力不再增加，而是等于一常数。这一改动避免了机械臂在距离目标点较远时受到过大的引力。到过大的引力。到过大的引力。

【技术实现步骤摘要】
基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法及系统


[0001]本专利技术涉及轨迹规划
，涉及一种使用改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法及系统。

技术介绍

[0002]双机械臂系统具有比单机械臂更高的灵活性，具有更高的工作效率。当前双机械臂系统已应用于多种工业场合，如搬运、装车、装配、焊接等。但双机械臂系统往往共享同一工作空间，因此需要对双机械臂进行协调控制，以避免机械臂之间发生碰撞。双机械臂系统的协调控制策略主要有主/从协调控制、混合位置/力控制、动态协调控制等。其中主/从协调控制最适合与双机械臂系统的避碰轨迹规划结合。其原理为将两台机械臂分别设定为主机械臂和从机械臂，从机械臂通过延时动作、变更速度、限制工作范围等方式避免与主机械臂发生碰撞。也有学者提出对双机械臂采用时间调度、B样条插值局部改变机械臂轨迹、采用启发式规则生成机械臂轨迹等方法。但已有的很多方法会影响机械臂的工作效率，有些计算复杂，求解时间长，不利于双机械臂的协调运动与避碰轨迹规划。
[0003]传统人工势场法(TAPF)的原理是在双机械臂的运动空间中建立虚拟人工势场，虚拟人工势场由引力场和斥力场组成。引力场设置在目标点处，斥力场设置在障碍物处。机械臂在斥力场的作用下避开障碍物，并在引力场的作用下到达其轨迹的目标点。但该方法存在一些问题，传统人工势场法中的势场力与机械臂的关节加速度相关，这会导致机械臂在到达目标点时加速度为0，但仍有速度，从而造成机械臂在目标点附近振荡。而且传统人工势场法中的引力大小与机械臂到引力场的距离成正比，当机械臂距离目标点较远时，势场引力会很大，这可能导致两台机械臂碰撞。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，此方法计算简便，求解速度快，且通过离线规划提前生成双机械臂系统的运动轨迹，安全性更高。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0006]第一方面，本专利技术提出了一种基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，如下：
[0007]步骤1：制定双机械臂的控制策略，设定两台机械臂的优先级；
[0008]步骤2：获取机械臂的尺寸数据，依据获得的尺寸数据建立两台机械臂的三维模型和运动学模型；
[0009]步骤3：依据三维模型和运动学模型建立双机械臂的碰撞检测模型；
[0010]步骤4：确定双机械臂工作路径的所有途经点，包括起始点、第一中间点、第二中间点、目标点，完成所有途经点间的插值拟合得到两台机械臂完整的初始轨迹；
[0011]步骤5：使用碰撞模型离线检测初始轨迹，当检测到两台机械臂之间有碰撞风险
时，改进人工势场法开始作用并修改从机械臂的初始轨迹，改进人工势场法在双机械臂系统的工作空间内生成虚拟引力场和斥力场，引力场设置在从机械臂目标点处且在引力场函数内设置阀值距离，斥力场设置在主机械臂的各个关节处；通过改进人工势场法得到修改后的轨迹。
[0012]作为进一步的技术方案，将主/从协调控制作为双机械臂的控制策略。
[0013]作为进一步的技术方案，步骤2中，测量机械臂的尺寸数据，依据获得的尺寸数据使用软件建立机械臂三维模型；计算尺寸数据得到机械臂D
‑
H参数表，依据标准D
‑
H参数法建立双机械臂系统的运动学模型和URDF文件。
[0014]作为进一步的技术方案，步骤3中所述的碰撞检测模型可通过离线计算从机械臂到主机械臂的距离来判断两台机械臂是否有碰撞风险。
[0015]作为进一步的技术方案，步骤4中采用直线插值函数拟合起点到第一中间点，以及第二中间点到终点的距离，采用三次多项式插值函数拟合第一中间点到第二中间点的轨迹。
[0016]第二方面，本专利技术还提出了一种基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划系统，包括：
[0017]模块一：被配置为制定双机械臂的控制策略，设定两台机械臂的优先级；
[0018]模块二：被配置为获取机械臂的尺寸数据，依据获得的尺寸数据建立两台机械臂的三维模型和运动学模型；
[0019]模块三：被配置为依据三维模型和运动学模型建立双机械臂的碰撞检测模型；
[0020]模块四：被配置为确定双机械臂工作路径的所有途经点，包括起始点、第一中间点、第二中间点、目标点，完成所有途经点间的插值拟合得到两台机械臂完整的初始轨迹；
[0021]模块五：被配置为使用碰撞模型离线检测初始轨迹，当检测到两台机械臂之间有碰撞风险时，改进人工势场法开始作用并修改从机械臂的初始轨迹，改进人工势场法在双机械臂系统的工作空间内生成虚拟引力场和斥力场，引力场设置在从机械臂目标点处且在引力场函数内设置阀值距离，斥力场设置在主机械臂的各个关节处；通过改进人工势场法得到修改后的轨迹。
[0022]作为进一步的技术方案，所述的模块一中将主/从协调控制作为双机械臂的控制策略。
[0023]作为进一步的技术方案，所述的模块二被配置为测量机械臂的尺寸数据，依据获得的尺寸数据使用软件建立机械臂三维模型；计算尺寸数据得到机械臂D
‑
H参数表，依据标准D
‑
H参数法建立双机械臂系统的运动学模型和URDF文件。
[0024]作为进一步的技术方案，所述的碰撞检测模型被配置为通过离线计算从机械臂到主机械臂的距离来判断两台机械臂是否有碰撞风险。
[0025]作为进一步的技术方案，所述的模块四本配置为采用直线插值函数拟合起点到第一中间点，以及第二中间点到终点的距离，采用三次多项式插值函数拟合第一中间点到第二中间点的轨迹。
[0026]上述本专利技术的实施例的有益效果如下：
[0027]本专利技术提出了一种基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，该方法避碰效果好，结构简单，易于实现。首先，该方法提出了一种碰撞检测模型，检测到碰撞后局部
修改机械臂的轨迹以实现避碰，相对于全局修改轨迹的避碰方法，降低了对双机械臂工作效率的影响。其次，该方法对人工势场法进行改进，解决了人工势场法中引力过大和末端振荡的问题，并降低了计算量。最后，对该方法进行仿真测试，结果表明该方法收敛和求解速度快，在该方法的作用下，两台机械臂在运动过程中始终保持安全距离。
[0028]本专利技术在改进人工势场法中，将势场力与机械臂关节速度直接相关。这一改动不仅减少了算法的计算量，且解决了机械臂在目标的振荡问题；在人工势场法中的引力场函数中设置一阈值距离，当机械臂到引力场之间的距离大于此阈值距离后，引力不再增加，而是等于一常数。
附图说明
[0029]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0030]图1为本实施例的实施对象
‑
龙门架双机械臂装车系统示意图；
[0031]图2为本实施例的机械臂的三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，其特征在于，如下：步骤1：制定双机械臂的控制策略，设定两台机械臂的优先级；步骤2：获取机械臂的尺寸数据，依据获得的尺寸数据建立两台机械臂的三维模型和运动学模型；步骤3：依据三维模型和运动学模型建立双机械臂的碰撞检测模型；步骤4：确定双机械臂工作路径的所有途经点，包括起始点、第一中间点、第二中间点、目标点，完成所有途经点间的插值拟合得到两台机械臂完整的初始轨迹；步骤5：使用碰撞模型离线检测初始轨迹，当检测到两台机械臂之间有碰撞风险时，改进人工势场法开始作用并修改从机械臂的初始轨迹，改进人工势场法在双机械臂系统的工作空间内生成虚拟引力场和斥力场，引力场设置在从机械臂目标点处且在引力场函数内设置阀值距离，斥力场设置在主机械臂的各个关节处；通过改进人工势场法得到修改后的轨迹。2.如权利要求1所述的基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，其特征在于，步骤1中，将主/从协调控制作为双机械臂的控制策略。3.如权利要求1所述的基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，其特征在于，步骤2中，测量机械臂的尺寸数据，依据获得的尺寸数据使用软件建立机械臂三维模型；计算尺寸数据得到机械臂D
‑
H参数表，依据标准D
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H参数法建立双机械臂系统的运动学模型和URDF文件。4.如权利要求1所述的基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，其特征在于，步骤3中所述的碰撞检测模型可通过离线计算从机械臂到主机械臂的距离来判断两台机械臂是否有碰撞风险。5.如权利要求1所述的基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规划方法，其特征在于，步骤4中采用直线插值函数拟合起点到第一中间点，以及第二中间点到终点的距离，采用三次多项式插值函数拟合第一中间点到第二中间点的轨迹。6.一种基于改进人工势场法的双机械臂避碰轨迹规...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东，董理，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：