面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法技术

本发明专利技术属于工业机器人碰撞检测领域，公开了一种面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法，包括1：采用基于莫顿码的二分查找算法构建线性层级包围体；2：提出一种Gpu加速的SDF构建算法；3：提出一种基于粒子群的包络球生成算法；4：采用SDF和包络球实现保守的碰撞检测。本发明专利技术通过标记并细分模型表面区域的体素网格，仅计算该区域内的距离场函数值，减少了需要计算的体素数量从而提升计算效率，利用稀疏网格进行存储从而降低了内存开销；所有线程可独立的访问LBVH并计算最短距离，提高了计算的并行度；采用粒子群优化算法计算紧密的包络球代替机器人关节执行碰撞检测，提高了碰撞检测的效率。的效率。的效率。

A conservative collision detection method for path planning of industrial robots

【技术实现步骤摘要】
面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法


[0001]本专利技术属于工业机器人碰撞检测领域，尤其涉及一种面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法。

技术介绍

[0002]工业机器人仿真能够模拟现实作业中的每一项工作和流程，并与之实现各种交互，可以在工业产品实物化前就对设计思想、产品潜在性能、使用效能和适应性等诸多方面进行研究、模拟和评估。目前已经广泛地应用到工业的各个领域中，从产品设计与研发、产品培训与调研到产品销售与推广等。仿真技术的应用能有效提高企业开发效率，加强数据采集、分析、处理能力，减少决策失误并降低企业风险。
[0003]为避免机器人在实际生产作业中与周围设备发生碰撞而引发安全问题，必须在离线仿真中加入碰撞检测功能，对仿真过程中出现的碰撞干涉做出实时响应和反馈。在产线布局、工业机器人路径规划以及IO事件仿真等多个阶段都少不了碰撞检测的参与，它是离线仿真中不可或缺的技术模块。精确的碰撞检测需要对场景中所有模型的面片进行相交计算，检测的成本较高。在机器人路径规划任务中，由于需要在整个三维工作空间中搜索所有可达的路径点，需要做大量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用基于莫顿码的二分查找算法构建线性层级包围体；步骤2：提出一种Gpu加速的SDF构建算法；步骤3：提出一种基于粒子群的包络球生成算法；步骤4：采用SDF和包络球实现保守的碰撞检测。2.根据权利要求1所述的面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤1包括计算机器人关节模型的轴对齐包围盒(AABB)，通过计算所有面片的莫顿码并对所有面片进行排序，采用二分查找的方式创建模型的线性层级包围体。3.根据权利要求2所述的面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤1包括如下具体步骤：建立LBVH树结构：输入模型包含n个三角面片，首先计算所有面片整体的AABB，以AABB作为边界，将面片中心坐标转换至0到1范围内，生成莫顿码并对所有面片进行基数排序；每个图元创建一个叶节点；每个叶节点发起一个线程并行计算，通过二分查找建立树的连接关系；采用AABB作为LBVH树节点的包围盒类型，LBVH内部节点包围盒的构建方式采用自下而上的策略：从所有叶子节点出发，每个三角形分配一个线程，计算三角形的AABB，而后所有线程向上遍历父节点，保留第二个达到父节点的线程去计算父节点的AABB，计算方式为将两个子节点的AABB进行合并，第一次达到的线程提前退出，使得每次向上遍历一层后线程数量减半，如此向上遍历直到完成整个LBVH的包围盒构建。4.根据权利要求1所述的面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤2包括以模型尺寸的1/64
‑
1/100的分辨率在模型AABB边界内构建均匀网格，将模型上所有三角形在平面内向外偏移距离r，然后在与三角形垂直的两个方向上分别拉伸距离r以构建凸多面体；并行计算该凸多面体在网格中覆盖的范围；将所有被模型三角面片覆盖的网格单元进行细分，生成高分辨率的网格，每个网格单元发起一个线程计算其到模型表面的最短距离；对细分后的网格单元，以网格单元的中心为起点，分别向x和y方向发射两条射线，通过其与模型表面的相交次数来判断该网格单元是否位于模型内部。5.根据权利要求4所述的面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤2SDF构建算法包括第一阶段，所述第一阶段采用较低的分辨率将SDF空间划分为均匀网格，网格中每一小块立方体区域称为cell，cell的尺寸通过下式计算：其中l、w、h为SDF边界的长宽高，r为包络球的最大半径，计算出网格在三个方向的维度：度：度：网格以一维数组形式平铺存储，在显存上分配两块大小为gridsize＝l'
×
w'
×
h'、数据类型为整型的内存：idBuffer用来存储cell在网格中的一维编号；overlapBuffer存储
cell是否被覆盖，每个三角形发起一个线程，将三角形在三角形平面内向外偏移距离r，然后在与三角形垂直的两个方向上分别拉伸距离r以构建凸多面体；利用分离轴定理计算出该凸多面体覆盖的所有cell，并将这些cell对应的overlapBuffer中的值设为1，未被覆盖的标记为0；接下来对overlapBuffer并行计算前缀和，根据前缀和将idBuffer中被覆盖的cell编号集中排列在数组前端，统计被覆盖的cell总数为overlapNum。6.根据权利要求5所述的面向工业机器人路径规划的保守碰撞检测方法，其特征在于，所述步骤2SDF构建算法包括第二阶段，所述第二阶段需要对第一阶段中发生覆盖的cell进行细分，对cell细分后的立方体区域称为subcell，其尺寸计算公式为：以每个subcell发起一个线程，计算subcell立方体中心到模型表面的最短距离；该过程利用LBVH树结构加速查找，具体过程为：以subcell立方体中心为球心，构造初始半径为R的球，自上而下进行球和LBVH树的相交测试，若和内部节点相交，则向下查找子节点；当到达叶子节点时，判断球和三角形是否相交，若相交则计算球心到三角面片的最短距离，并取所有叶子节点中最短距离的最小值作为该subcell到模型表面的最短距离；若球与至少一个三角形相交，则计算完成，否则将球的半径增加一倍后继续与LBVH做相交测试，重复以上过程；当subcell中心到模型表面的最短距离不为零时，还需判断距离值符号，利用射线法，即以subcell中心为射线起点，向任意方向发射射线，计算该射线与物体表面的相交次数，若相交奇数次则距离值符号为负，否则为正，选择x和y两个方向进行两次射线求交测试，只有在两个方向上相交次数都...

【专利技术属性】
技术研发人员：王进，王鹏，陆国栋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：