[发明专利]具有距离场的快速机器人运动优化

权利要求书

1.一种用于规划工业机器人的路径的方法，所述方法包括：

提供障碍物数据，所述障碍物数据限定所述机器人的工作空间中的各个障碍物；

根据所述障碍物数据计算距离场矩阵，所述距离场矩阵是表示所述工作空间的三维(3D)矩阵，其中，所述距离场矩阵中的每个单元包含一个值，所述值指示到由所述各个障碍物中的任何一个的任何部分占据的最近单元的距离；

使用具有处理器和存储器的计算机来建模机器人运动优化问题，包括限定目标函数，将所述路径的开始点和目标点限定为等式约束，以及使用所述距离场矩阵限定避撞不等式约束；以及

通过所述计算机求解所述运动优化问题以产生所述机器人的所述路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，提供障碍物数据包括从计算机辅助设计(CAD)系统提供所述障碍物数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，提供障碍物数据包括从配置为检测所述工作空间中所述各个障碍物的一个或多个传感器提供所述障碍物数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述障碍物数据计算所述距离场矩阵包括将所述障碍物数据转换为体素，创建占据数据的二进制3D矩阵，以及根据占据数据的所述二进制3D矩阵计算所述距离场矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述距离场矩阵限定所述避撞不等式约束包括限定所述机器人的手臂上的多个点，以及针对所述机器人的每个计算的姿态，将所述多个点中的每个点的到障碍物距离确定为包含该点的单元中的值减去该点的预定半径。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，对于所述机器人的每个计算的姿态，将机器人到障碍物距离确定为所述多个点中的任一点的最小到障碍物距离，并且所述避撞不等式约束是所述机器人到障碍物距离必须超过预定门限值。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，建模所述机器人运动优化问题还包括基于所述开始点和所述目标点生成初始参考路径。

8.根据权利要求1的方法，其中，建模机器人运动优化问题还包括限定运动限制不等式约束，并且还包括基于所述机器人的每个关节的系统动力学或运动学方程来限定等式约束，所述运动限制不等式约束包括机器人关节旋转速度、加速度和加加速度不超过预定门限值，机器人工具中心点速度、加速度和加加速度不超过预定门限值，以及关节位置不超过预定限制。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括在求解所述机器人运动优化问题之前凸化所述机器人运动优化问题，包括将所述避撞不等式约束近似为一阶泰勒级数展开式。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，求解所述运动优化问题包括迭代地求解所述运动优化问题，直到解收敛到预定的收敛标准。

11.根据权利要求1的方法，其中，求解所述运动优化问题产生包含所述开始点和目标点以及若干中间点的解向量，并且根据该解向量对连续的机器人轨迹进行插值。

12.一种用于规划工业机器人的路径的方法，所述方法包括使用计算机建模和求解机器人运动优化问题，其中建模所述优化问题包括限定目标函数，将所述路径的开始点和目标点限定为等式约束，以及使用距离场矩阵限定避撞不等式约束，所述距离场矩阵是表示所述机器人的工作空间的三维矩阵，其中所述距离场矩阵中的每个单元包含一个值，所述值指示到由所述工作空间中的任何障碍物的任何部分占据的最近单元的距离。