[发明专利]七自由度仿人机械臂的双层拟人运动规划方法

说明书

七自由度仿人机械臂的双层拟人运动规划方法，属于机械臂控制领域，解决了现有基于Bi‑RRT*算法的七自由度仿人机械臂路径规划方法不适用于仿人机械臂的任务空间规划，且无法同时优化仿人机械臂的末端执行器的路径和机械臂构型的问题。所述方法包括为末端执行器规划无碰撞路径、对无碰撞路径进行平滑处理、计算所有可用机械臂构型、根据人臂的运动学特征选择最优机械臂构型集和控制仿人机械臂依次完成最优机械臂构型集中所有臂构型的步骤。在规划无碰撞路径的步骤中采用基于臂构型描述的末端新生长路径点有效性判断方法替代现有Bi‑RRT*算法中的碰撞检测方法。本发明所述方法适用于七自由度仿人机械臂的双层拟人运动规划。

技术领域

本发明涉及机械臂控制领域，具体地说，涉及一种复杂环境下七自由度仿人机械臂的双层拟人运动规划方法。

背景技术

目前，基于随机采样的避障路径规划方法被广泛地用于七自由度仿人机械臂的运动规划中。该类方法通过碰撞检测模块提供采样点的可行性信息，连接一系列从自由空间采样的点，构建一张可行轨迹的图，从这张图中搜索起始点到目标点的可行路径。该类方法不需要在仿人机械臂的关节空间中对障碍物进行精确建模，因而计算量小，即使在高维空间中规划仿人机械臂的运动轨迹，其效率也相当高。

Bi-RRT*(Bidirectional Rapidly-Exploring Random Tree Star，双向快速扩展随机树星)算法是基于随机采样的避障路径规划方法中被广泛使用的方法。该方法将双向搜索策掠引入现有的RRT*(Rapidly-Exploring Random Tree Star，快速扩展随机树星)算法中，并引入一个启发函数。与RRT*算法相比，Bi-RRT*算法具有更强的避障路径规划能力。

但是，现有基于Bi-RRT*算法的七自由度仿人机械臂路径规划方法因Bi-RRT*算法采用碰撞检测方法判断采样点的可行性使得该路径规划方法只适用于仿人机械臂的关节空间而不适用于仿人机械臂的任务空间，且无法同时优化仿人机械臂的末端执行器的路径和机械臂构型。

发明内容

本发明为解决现有基于Bi-RRT*算法的七自由度仿人机械臂路径规划方法不适用于仿人机械臂的任务空间规划，且无法同时优化仿人机械臂的末端执行器的路径和机械臂构型的问题，提出了一种七自由度仿人机械臂的双层拟人运动规划方法。

本发明所述的七自由度仿人机械臂的双层拟人运动规划方法包括第一层运动规划和第二层运动规划，第一层运动规划为仿人机械臂在复杂环境下的任务空间的拟人路径规划，第二层运动规划为仿人机械臂沿末端无碰撞路径的可用臂构型空间的拟人臂构型规划；

所述方法包括：

步骤一、在所述仿人机械臂的任务空间内，为所述仿人机械臂的末端执行器规划出一条从其初始位置至目标位置的拟人的无碰撞路径；

步骤二、采用基于平滑样条的路径平滑方法对所述无碰撞路径进行平滑处理，形成所述末端执行器的任务空间路径规划；

步骤三、在所述末端执行器能够自其初始位置经平滑处理后的无碰撞路径到达目标位置情形下，计算并保存所有满足关节限位关系和避碰撞约束的可用机械臂构型；

步骤四、根据人臂的运动学特征，在沿末端执行器无碰撞路径的所有可用机械臂构型中选择出最优机械臂构型集；

步骤五、控制所述仿人机械臂依次完成所述最优机械臂构型集中的所有臂构型，使所述末端执行器完成所述平滑处理后的无碰撞路径；

步骤一和步骤二构成仿人机械臂在复杂环境下的任务空间的拟人路径规划，步骤三和步骤四构成仿人机械臂沿末端无碰撞路径的可用臂构型空间的拟人臂构型规划。

作为优选的是，步骤一包括：