本发明专利技术公开了一种基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法。本发明专利技术步骤如下：步骤1、描述搬运机械臂与工作空间；步骤2、设计精确碰撞检测器ECD；步骤3、设计推理碰撞检测器ICD。本发明专利技术提出基于SEPD的改进复合碰撞检测器能够在机械臂碰撞检测的效率和精度之间获得良好的平衡。该碰撞检测器能用于的RRT算法的在线运动规划任务的性能改进，提升了搬运机械臂在实际工作应对突发环境变化的能力，也保证了工作环境的安全性。本发明专利技术在基于局部数据的碰撞检测中计算速度较快，同时也避免了狭窄通道内的高频率假阳性输出。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及仓储物流搬运机器人，具体涉及面向于rrt路径规划的碰撞检测器的效率与准确率的综合性能改进。
技术介绍
1、近年来，随着机械臂在仓储物流应用的发展，工作环境有时是不可预测的。在这种未知工作环境，机械臂需要在启动时执行路径规划，甚至需要实时在线调整规划路径。因此形成了对路径规划算法的效率方面的严峻挑战。目前，基于采样的路径规划器(sbp)是面向高维构型空间的主要路径规划方法之一，而碰撞检测是sbp基本模块，其执行时间占总规划时间的90％以上，其检测精度和检测效率影响着机械臂在搬运时的安全性与工作效率。本专利技术的目的是提高搬运机械臂在仓库中搬运货物时的效率以及安全性，通过复合碰撞检测算法平衡机械臂碰撞检测效率与精度，在机械臂工作时提供平衡的碰撞检测策略。在过往最常见的设计是基于运动学和几何学的碰撞检测器(kcd)，被认作是“黄金标准”，也被称为精确碰撞检测器(ecd)。
2、简单概述现有的碰撞检测算法：1、kcd的准确率较高但是计算负荷大。2、基于深度学习的碰撞检测器依赖于大量训练样本来实现模型泛化。大量的训练样本标注导致频繁的kcd调用，从而造成极大的计算开销。3、作为一种ccd，概率碰撞检测器(pcd)只需要少量的局部数据并保证高效，但是存在面向狭窄通道查询点的高频假阳性输出的问题。
3、综上所述，针对搬运机械臂rrt路径规划，需要提出一种新的检测机制，在基于局部数据的碰撞检测中计算速度较快，同时也避免了狭窄通道内的高频率假阳性输出，该机制在效率和准确率之间有很好的平衡。
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p>技术实现思路1、本专利技术的目的是提高搬运机械臂在仓库中工作时的效率以及安全性，提出了一种基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，搬运机器人通过新的碰撞检测策略平衡了其工作的效率和准确率。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
3、步骤1、搬运机械臂与工作空间的描述。
4、对于串联刚性机器人的运动规划，把关节变量向量看作构型，把关节空间看作构型空间(c)。在笛卡尔空间中，建立世界坐标系{fw}，以及一系列坐标系{fi}，i＝0,1,…,n+m1+m2，其中{fi}固连在第i个物体。使用椭球体来表示链接和末端执行器。凸体，如长方体和圆柱体，被用来表示机械手的基础和障碍。每个连杆仅由一个椭圆体表示，并且末端执行器由一个或多个椭圆体表示。所有这些正则近似都被视为环境中的对象，将它们编号为0到n+m1+m2。数字0对应于操纵器基座。数字1至n分别对应于从连接基部的连杆到连接末端执行器的连杆。数字n+1至n+m1对应于表示效应器的椭圆。数字n+m1+1至n+m1+m2对应于障碍物。
5、对于一个连接椭球体的框架，其中心点位于椭球体的几何中心，其轴线分别平行于椭球体的轴线。对于构型q，设ti(q)∈r3×3是从{fi}到{fw}的变换矩阵，xi(q)∈r3×1是{fi}以{fw}为参照系的中心点。另外，将从{fi}到{fw}的齐次变换矩阵表示为即
6、
7、当1≤i≤n+m1时，ti(·)和xi(·)是连续的，用d-h方法得到。
8、当i>n+m1或i＝0时，ti(q)和xi(q)是常数，但为了方便一般采用映射形式。设θi是第i个对象的指向坐标系{fi}的点向量集，并且用符号θi(·)来表示θi的仿射变换，即
9、
10、其中，表示对齐次变换矩阵的仿射变换，z∈r3×1是列向量，t∈r3×3是可逆矩阵，由t和z表示为：
11、
12、因此，参照系中的第i个对象点集表示为
13、假设在关节限制下，相互连接的物体之间不发生碰撞，即第一连杆和基座、两个相邻的连杆、最后一个连杆和末端执行器、以及末端执行器的两个部分均不发生碰撞。设是对应于可能的碰撞对象对的所有索引对的集合。对于一个构型q∈c，如果存在使得则q∈cobs；否则，q∈cfree，cobs表示发生碰撞的构型集合，cfree表示不发生碰撞的构型集合。
14、步骤2、设计精确碰撞检测器(ecd)，共分为两个阶段。
15、阶段一：提出一种gilbert–johnson–keerthi(gjk)算法的变体来计算椭球伪距(epd)。阶段二：提出球-椭球伪距(sepd)来描述两个物体的状态。具体如下：
16、(1)在本专利技术中，边界体被用于减少相交测试的数量，其中球体被用作快速初步拒绝测试的包围体。每个对象都被一个球体紧凑地封装，第i个对象的边界球的编号为i，并且该对象的中心点和半径分别记为xi(q)和ri。对于1≤i≤n+m1，ri＝max{ri1,ri2,ri3}且xi(q)＝xi(q)。由于球体可以被视为一类特殊的椭球体，因此也可以使用epd来表征两个包围盒的关系。对于构型q，将从第i个(1≤i≤n+m1)对象中心到点x的epd定义为：
17、
18、其中λi＝diag{ri1-1,ri2-1,ri3-1}，其中ri1，ri2和ri3是椭球半轴的长度。对于固定的构型q，ωi(q,·)的值将r3的空间分成三部分，它们分别严格对应于椭球的表面(ωi(q,x)＝1)、椭球的内部(ωi(q,x)<1)和椭球的外部(ωi(q,x)>1)。因此，第i个对象(1≤i≤n+m1)和第j个对象之间的几何关系可以通过di.j(q)来反映，其表示为：
19、
20、如果第i个和第j个对象相交，则di.j≤1必须成立，否则，di.j>1成立。实际上，di.j(q)是从xi(q)(椭圆体的中心)到第j个对象的epd。所以构型q的epd可以表示为：
21、
22、显然，构型q的碰撞或无碰撞状态可以由e(q)反映，即若q∈cobs，则e(q)≤1成立，否则e(q)>1成立。
23、根据式(5)，把式(6)改写为
24、
25、其中
26、gjk算法的主要循环是计算凸集上点的最小欧氏范数，本专利技术通过变换构型q的epd表达式调整gjk算法来重新计算epd。
27、(2)称两个球体在特殊场景中的epd为球体伪距离(spd)。从第i个球体中心到第j个球体的spd表示为其可以表示为：
28、
29、显然，如果第i个和第j个球体相交，则成立。否则，成立。的值可以根据等式(8)计算，其中即
30、
31、基于spd描述两个包围球和epd描述两个物体，使用sepd来描述这两个对象的关系。令参数δ>0，并且将从第i个对象中心到第j个对象的定义为其中fδ:r≥0×r≥0→r表示为：
32、
33、且机器人相对于构型q的sepd被定义为：
34、
35、容易看出，lδ(·,·)是连续的。当时，计算从第i个对象中心到第j个对象的sepd：
36、
37、从本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于步骤1所述的描述如下：
3.根据权利要求1所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于步骤2所述的精确碰撞检测器的设计包括两个阶段：阶段一：提出一种GJK算法的变体来计算椭球伪距EPD；阶段二：提出球-椭球伪距SEPD来描述两个物体的状态。
4.根据权利要求3所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于所述的阶段一具体实现如下：
5.根据权利要求3所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于所述的阶段二具体实现如下：
6.根据权利要求3所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于步骤3所述的推理碰撞检测器1CD的功能包括碰撞检测结果推断和设置两个拒绝规则来检验预测的碰撞检测结果；在对ECD进行查询之后，将查询点连同其精确SEPD值一起存储在数据库中；对于查询点，首先从数据库加载本地数据用于近似KNN搜索的方法，并且近似KNN搜索的结果EAKNN被表示为：
7.根据权利要求6所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于推理碰撞检测器ICD的第一拒绝规则中：EAKNN中的元素的数量表示为K，并用来表示EAKNN的充分性；给定充分性的最低极限Km，当K≥Km时，EAKNN被认为包含充分信息；如果EAKNN不足，即K<Km，该点被ICD拒绝，而由ECD检测；
8.根据权利要求7所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于推理碰撞检测器ICD的第二拒绝规则描述如下：在计算预测值之后，对于返回碰撞的结果或者对于返回无碰撞的结果；预测值不仅用于推断查询结果，而且用于估计结果可靠性；设置参数U1∈(0，1]和U2∈(0，+∞]以确定不确定区域[1-U1，1+U2]；如果则推断结果被认为是模糊的，并且需要通过ECD检测查询点；如果不在不确定区域中，则对于返回有碰撞状态，对于返回无碰撞状态；
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【技术特征摘要】
1.基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于步骤1所述的描述如下：
3.根据权利要求1所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于步骤2所述的精确碰撞检测器的设计包括两个阶段：阶段一：提出一种gjk算法的变体来计算椭球伪距epd；阶段二：提出球-椭球伪距sepd来描述两个物体的状态。
4.根据权利要求3所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于所述的阶段一具体实现如下：
5.根据权利要求3所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于所述的阶段二具体实现如下：
6.根据权利要求3所述的基于改进复合碰撞检测器的搬运机械臂碰撞检测方法，其特征在于步骤3所述的推理碰撞检测器1cd的功能包括碰撞检测结果推断和设置两个拒绝规则来检验预测的碰撞检测结果；在对ecd进行查询之后，将查询点连同其精确sep...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘光宇，陈凯杰，朱凌，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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