[发明专利]一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法

说明书

本发明公开了一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法,涉及机械臂路径规划技术领域，该方法通过显式地考虑使用机械臂完成物体表面覆盖任务时因运动学约束导致的末端执行器抬离物体表面，将覆盖路径设计问题转化为子胞腔分解问题并求解，从而获得机械臂覆盖子胞腔的方式。本发明的方法具有保证机械臂在覆盖任务执行过程中末端执行器仅抬离物体表面最少次数的特点。

技术领域

本发明涉及机械臂路径规划技术领域，具体地说，是一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法。

背景技术

物体表面的覆盖任务是工业应用中的常见任务，被广泛应用于物体表面的近距离建模、喷漆、抛光等工作中。为了满足对三维空间中一般形状的物体进行加工的需求，覆盖任务通常由机械臂完成。

一方面，机械臂的运动学问题是几十年来一直被研究的热门问题。机械臂运动学的实质是寻找机械臂的各个关节角度组成的关节空间到机械臂的末端执行器的位姿空间的映射。当机械臂中具有旋转关节时，这种映射关系是非线性的。另一方面，曲面的覆盖问题是机器人路径规划任务中的覆盖路径规划问题，针对给定的待覆盖空间，设计出一条路径，使得机器人沿着路径运行后可以经过待覆盖空间上的每一个点，在此过程中机器人视作一个质点。

在物体表面的覆盖问题中，机械臂末端安装的末端执行器沿着设定好的覆盖路径运行，即可经过物体表面的每一个点。然而，由于机械臂存在运动学约束，它不能使得末端执行器完整跟踪整条覆盖路径。在这种情况下，覆盖工作被迫中断，且机械臂需要调整其姿态来完成后续的跟踪任务。传统的覆盖路径规划算法是在被覆盖区域上进行路径生成的算法，在机械臂的覆盖路径规划问题中相当于在物体表面直接生成覆盖路径。然而由于机械臂的正运动学是非线性的，工作空间中的覆盖路径很容易因为机械臂的运动学约束而被截断。机械臂需要将末端执行器抬起，在空中完成机械臂位姿的变换，再重新接触。末端执行器的“脱离-重新接触”的过程需要复杂的控制策略，浪费额外的时间和能量，降低工业生产效率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法，在完全已知环境下、对物体表面进行覆盖任务的方法。该方法在整个覆盖任务执行过程中，机械臂的末端执行器只需要与物体表面解除接触最少次数。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法，所述机械臂的末端执行器与待覆盖物体表面间的接触为点接触，且待覆盖物体、机械臂以及环境中的障碍物的相对位置关系已知，且在覆盖任务执行过程中保持不变。

所述使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法具体包括以下步骤：

步骤一、对待覆盖物体的曲面M上所有的点进行机械臂逆运动学求解，获得覆盖此点时机械臂的位姿，对于曲面M上的任一点p，所有的可行位姿记为{J_p1，J_p2，…，J_pn}，若待覆盖物体表面被完整覆盖，则所有的点均对应一组可行的位姿；否则，待覆盖物体表面上不能覆盖到的点没有对应的位姿。曲面M上的所有点的可行位姿构成机械臂的关节空间，所述机械臂的关节空间包括奇异位姿和非奇异位姿。

步骤二、除去所有奇异位姿后，所述机械臂的关节空间被分割成若干不相交的集合，每个集合中存储能被机械臂连续执行的位姿，将相同集合中的位姿标注相同的编号，不同集合中的位姿标注不同的编号，将不同的集合编号设置为c₁，…，c_n，曲面M上的每一点根据其可行位姿对应的编号获得点p对应的编号组合。