一种超冗余机械臂分段式动态避障方法技术

本发明专利技术公开了一种超冗余机械臂分段式动态避障方法。首先，针对场景中的机械臂状态信息与观测到的障碍物信息，建立以机械臂为中心的动态障碍预警区域。其次，当障碍物进入该区域监测范围内，基于速度障碍策略构建碰撞风险评估模型，实时评估机械臂与障碍物间的碰撞可能性。再次，若存在碰撞风险，依据障碍物信息将机械臂划分为若干避障区域，构建局部避障速度约束、关节限位约束以及连杆长度约束，求解机械臂各关节安全速度集合。最后，通过前后向迭代逆运动学求解算法实时更新机械臂位姿，进而实现动态障碍场景下的超冗余机械臂分段式避障。本发明专利技术充分发挥超冗余机械臂的灵活特性，使其在动态障碍场景下具有更好的适应能力。使其在动态障碍场景下具有更好的适应能力。

【技术实现步骤摘要】
一种超冗余机械臂分段式动态避障方法


[0001]本专利技术涉及机械臂
，具体为一种超冗余机械臂分段式动态避障方法。

技术介绍

[0002]面向受限空间、危险环境和复杂任务下的机器人作业，传统工业机械臂由于尺寸、驱动配置和自由度的限制而难以满足复杂工况下的应用需求。而超冗余机械臂依托仿生蛇类机理，通过融合蛇类脊椎骨结构与运动特性，具备长径比大、冗余度高、柔顺性强、可达域广等特点和优越的连续弯曲与避障能力，在航空航天、核电等大型精密化设备深腔检测作业中可发挥不可替代的作用。
[0003]超冗余机械臂的灵活控制需要更完整、更高效的运动与避障策略，然而，冗余的自由度导致机械臂的控制难度成倍增长，且传统机械臂的避障算法存在规划决策效率低、对环境动态响应慢等缺陷，难以直接应用于超冗余机械臂。此外，机械臂各关节之间的配合关系具有强耦合性，单个连杆的变化会致使其余多个连杆的姿态调整，极大制约了超冗余蛇形机械臂的避障能力。
[0004]近年来，一系列超冗余机械臂的避障方法已被提出，主要分为以下几种：
①
基于人工势场法的方法，通过引入目标引力场与障碍物产生的斥力场，驱动机械臂避开障碍，但计算时易陷入局部力平衡状态，尤其当多个障碍同时作用时算法会失效；
②
基于C空间规划的方法，先根据机械臂的状态特征建立机械臂所有可行C空间，再将障碍物映射到C空间内，进一步规划出C空间的无碰轨迹，但随着机械臂冗余度的增加，该方法求解效率低，难以实现实时避障需求；
③
基于末端跟随的方法，根据既定场景规划出一条无碰轨迹，并通过末端主动、余下关节节点从动的方式避开障碍，但该方法多应用于已知静态障碍物，缺乏对动态障碍物的适应能力。上述避障策略并不能在保证求解效率的情况下有效解决超冗余机械臂的动态避障问题。
[0005]基于此，本专利技术提供了一种超冗余机械臂分段式动态避障方法。

技术实现思路

[0006]以下给出一个或多个方面的主要概述以应对这些方面的基本理解。此概述不能将所有的构想进行详述，其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0007]本专利技术提供一种超冗余机械臂分段式动态避障方法，包含以下步骤：
[0008]步骤1：针对场景中的机械臂状态信息与观测到的障碍物信息，建立以机械臂为中心的动态障碍预警区域。
[0009]步骤1.1：从三维捕捉系统与机械臂关节内部陀螺仪获取机械臂的状态信息：几何构型、机械臂臂型姿态、第i节机械臂连杆速度v
Li
，与障碍物信息：几何构型、障碍物当前速度v
o
，其中，i＝1，2，
…
，n，n表示超冗余机械臂连杆数量。
[0010]步骤1.2：利用封闭式椭球体将机械臂各连杆进行包覆，记包覆第i节机械臂连杆
的封闭式椭球体为根据障碍物几何构型利用封闭式凸几何体对障碍物进行包覆，记包覆障碍物的封闭式凸几何体为
[0011]步骤1.3：将连杆进行简化，以障碍物质心为中心构建各连杆与障碍物间的封闭式闵可夫斯基和，记为：式中，用表示闵可夫斯基和运算，表示取区域内任意一点x，表示取区域内任意一点y。
[0012]步骤1.4：计算封闭式闵可夫斯基和到对应连杆中心的最小欧式距离d
i
，记机械臂连杆长度为L
a
，以该连杆为中心设定动态障碍预警距离为d
warn
＝n*L
a
，当d
i
＜d
warn
时，视为该障碍物存在潜在风险。
[0013]步骤2：当障碍物进入该区域监测范围内，基于速度障碍策略构建碰撞风险评估模型，实时评估机械臂与障碍物间的碰撞可能性。
[0014]步骤2.1：将封闭式闵可夫斯基和沿基座标系XOY与XOZ平面进行投影为与记第i节连杆空间坐标为P
Li
，第i节连杆与障碍物的相对速度为v
rel
＝v
Li
‑
v
o
，将P
Li
与v
rel
分别沿基座标系XOY与XOZ平面进行投影为
xoy
P
Li
、
xoz
P
Li
与
xoy
v
rel
、
xoz
v
rel
。
[0015]步骤2.2：在XOY平面内，以
xoy
P
Li
为观测中心，分别向两侧作切线，构成障碍锥区域，记为
xoy
D，在XOZ平面内，以
xoz
P
Li
为观测中心，分别向两侧作切线，构成障碍锥区域，记为
xoz
D，则速度障碍区域与可表示为：可表示为：式中，τ为时间窗口量。
[0016]步骤2.3：当相对速度矢量
xoy
v
rel
落在区域内部或
xoz
v
rel
落在区域内部时，视为与在[0，τ]时间范围内存在碰撞风险，进而构建碰撞风险评估模型为：式中，∩表示取交集，∪表示取并集。
[0017]步骤3：若存在碰撞风险，依据障碍物信息将机械臂划分为若干避障区域，构建局部避障约束、关节限位约束以及连杆长度约束，求解机械臂各连杆的安全速度集合。
[0018]步骤3.1：当存在碰撞风险时，依据到对应连杆中心的最小距离d
i
为超冗余机械臂动态分配避碰关节组。
[0019]步骤3.2：记超冗余机械臂第i关节位置为P
Ji
，构建连杆长度约束为：||P
Ji
‑
P
Ji
‑1||2＝L
a
；式中，||
…
||2表示向量的二范数计算。
[0020]步骤3.3：记超冗余机械臂关节限位角为θ
max
，则以P
Ji
为顶点，L
a
为母线，矢量P
Ji
‑
P
Ji
‑1为轴线，2θ
max
为锥角构建球锥区域D
joint
，构建关节限位约束为：
P
Ji+1
∈D
joint
。
[0021]步骤3.4：记u
i
为v
rel
到速度障碍边界最小距离的矢量，记为：u
i
＝arg min||v
‑
v
rel
||2‑
v
rel
；记n
i
为u
i
的单位方向矢量为：则连杆i的最优避碰平面(OCA)可表示为：记连杆下一时刻速度为v
Li_new
，则局部避障速度约束可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超冗余机械臂分段式动态避障方法，其特征在于，包括：步骤1：针对场景中的机械臂状态信息与观测到的障碍物信息，建立以机械臂为中心的动态障碍预警区域；步骤2：当障碍物进入该区域监测范围内，基于速度障碍策略构建碰撞风险评估模型，实时评估机械臂与障碍物间的碰撞可能性；步骤3：若存在碰撞风险，依据障碍物信息将机械臂划分为若干避障区域，构建局部避障约束、关节限位约束以及连杆长度约束，求解机械臂各关节安全速度集合；步骤4：通过前后向迭代逆运动学求解算法实时更新机械臂位姿，进而实现动态障碍场景下的超冗余机械臂分段式避障。2.根据权利要求1所述的一种超冗余机械臂分段式动态避障方法，其特征在于：在步骤1中，具体包含以下步骤：步骤1.1：从三维捕捉系统与机械臂关节内部陀螺仪获取机械臂的状态信息：几何构型、机械臂臂型姿态、第i节机械臂连杆速度v
Li
，与障碍物信息：几何构型、障碍物当前速度v
o
，其中，i＝1,2,
…
,n，n表示超冗余机械臂连杆数量；步骤1.2：利用封闭式椭球体将机械臂各连杆进行包覆，记包覆第i节机械臂连杆的封闭式椭球体为根据障碍物几何构型利用封闭式凸几何体对障碍物进行包覆，记包覆障碍物的封闭式凸几何体为步骤1.3：将连杆进行简化，以障碍物质心为中心构建各连杆与障碍物间的封闭式闵可夫斯基和，记为：式中，用表示闵可夫斯基和运算，表示取区域内任意一点x，表示取区域内任意一点y；步骤1.4：计算封闭式闵可夫斯基和到对应连杆中心的最小欧式距离d
i
，记机械臂连杆长度为L
a
，以该连杆为中心设定动态障碍预警距离为d
warn
＝n*L
a
，当d
i
<d
warn
时，视为该障碍物存在潜在风险。3.根据权利要求1所述的一种超冗余机械臂分段式动态避障方法，其特征在于：在步骤2中，具体包含以下步骤：步骤2.1：将封闭式闵可夫斯基和沿基座标系XOY与XOZ平面进行投影为与记第i节连杆空间坐标为P
Li
，第i节连杆与障碍物的相对速度为v
rel
＝v
Li
‑
v
o
，将P
Li
与v
rel
分别沿基座标系XOY与XOZ平面进行投影为
xoy
P
Li
、
xoz
P
Li
与
xoy
v
rel
、
xoz
v
rel
；步骤2.2：在XOY平面内，以
xoy
P
Li
为观测中心，分别向两侧作切线，构成障碍锥区域，记为
xoy
D，在XOZ平面内，以
xoz
P
Li
为观测中心，分别向两侧作切线，构成障碍锥区域，记为
xoz<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹政才，居仁杰，张东，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：