實現(xiàn)空間機械臂避障的路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本方法主要用于空間機械臂避障路徑規(guī)劃。包括以下步驟：建立窗口型(正方形)障礙，利用人工勢場方法找出一條機械臂末端器的避障路徑；通過求機械臂各連桿與窗口障礙各邊的距離的碰撞檢測來調(diào)整整個機械臂末端器軌跡，使得各個連桿均不與障礙物碰撞，從而得到一條能使整個機械臂(包括末端器和連桿)安全避障的末端器路徑；運用基于廣義雅克比矩陣的空間機械臂運動學逆解對上述的末端器路徑上的位置和姿態(tài)進行連續(xù)跟蹤。應用該障礙回避方法可使其針對整個空間機械臂(包括末端器和連桿)進行避障路徑規(guī)劃。
【專利說明】實現(xiàn)空間機械臂避障的路徑規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間機械臂的路徑規(guī)劃領(lǐng)域，尤其涉及一種實現(xiàn)空間機械臂的避障路徑規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于太空任務(wù)環(huán)境復雜，使用機械臂代替宇航員進行工作是未來航空航天的主要發(fā)展方向，而空間機械臂的避障路徑規(guī)劃對機械臂在太空環(huán)境中的實際應用起到至關(guān)重要的作用。
[0003]避障路徑規(guī)劃是指給定環(huán)境的障礙條件以及起始位姿和目標位姿，要求選擇一條從起始點到目標點的路徑，使機械臂能安全、無碰撞地通過所有的障礙。
[0004]關(guān)于機械臂的避障路徑規(guī)劃方法有很多，如滾動路徑規(guī)劃法、Stentz A的D*算法、遺傳算法等，比較經(jīng)典的是用蟻群算法，其具有極強的魯棒性和搜索較好解的能力。但是，這種方法多用于2維平面或者2維等高平面，在3維空間中實現(xiàn)基于蟻群算法的避障需要增加大量的計算。而人工勢場法是以其快捷的環(huán)境描述形式在實時避障、運動規(guī)劃中得到了廣泛應用。人 工勢場法由Khatib提出，他在文獻中構(gòu)造了人工感應力函數(shù)。此后，人工勢場法得到不斷的改進與完善。Khosla提出超二次函數(shù)(SuperquadricFunct1n)J^F同形狀障礙物斥力場統(tǒng)一逼近為球形障礙物的斥力場，又提出從電場、溫度場、流體場的角度，運用調(diào)和函數(shù)(Harmonic Funct1n)來回避局部最小問題。目前的研究主要集中在地面機器人的路徑規(guī)劃問題以及對空間機械臂末端器避障路徑規(guī)劃的研究，而對整個空間機械臂(包括連桿和末端器)避障的研究還極為有限。受到人工勢場方法的啟發(fā)，本發(fā)明對其進行擴展，用以對空間機械臂整體進行避障路徑規(guī)劃。
[0005]針對空間機械臂的控制，由于太空環(huán)境中動量守恒，空間機械臂存在動力學冗余特性，空間機械臂末端器的位姿不僅和關(guān)節(jié)角有關(guān)還和機械臂運動的歷史有關(guān)。所以我們使用廣義雅可比矩陣來描述空間機械臂的系統(tǒng)狀態(tài)。由于單純的計算逆廣義雅可比不可避免的會帶來奇異，導致奇異點附近的關(guān)節(jié)角速度無限大，所以本發(fā)明通過計算廣義雅可比的阻尼最小方差逆的方法來求解關(guān)節(jié)角，以對空間機械臂進行運動控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于:將2維人工勢場方法擴展成適用于3維空間；改進人工勢場方法使其能夠針對整個機械臂(包括末端器和連桿)進行避障規(guī)劃并將上述方法與基于廣義雅可比的空間機械臂逆運動學方法相結(jié)合，進行空間機械臂連續(xù)無碰撞路徑規(guī)劃。
[0007]首先建立窗口型(正方形)障礙，利用人工勢場方法找出一條機械臂末端器的避障路徑；然后通過求機械臂各連桿與窗口障礙各邊的距離的碰撞檢測來調(diào)整整個機械臂末端器軌跡，使得各個連桿均不與障礙物碰撞，從而得到一條使整個機械臂能安全避障的末端器路徑；最后運用基于廣義雅克比矩陣的空間機械臂運動學逆解對所述的末端器路徑進行連續(xù)跟蹤。下面敘述算法具體步驟:[0008]本發(fā)明的一種實現(xiàn)空間機械臂避障的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括步驟:
[0009](I)建立中心點帶有引力場的窗口型(正方形)障礙，計算其幾何中心點，在該點上設(shè)置一個帶吸引力的虛擬點，該點吸引力與目標點吸引力公式均為:
【權(quán)利要求】
1.實現(xiàn)空間機械臂避障的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括步驟: (1)建立中心點帶有引力場的窗口型(正方形)障礙，計算其幾何中心點，在該點上設(shè)置一個帶吸引力的虛擬點，該點吸引力與目標點吸引力公式均為:
2.實現(xiàn)空間機械臂避障的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1的方法，在步驟(6)中，若成功，輸出該路徑，若迭代η次仍不成功,輸出不存在這樣的軌跡。
【文檔編號】B25J9/16GK104029203SQ201410274263
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】張強, 劉雙 申請人:大連大學