[发明专利]一种冲击约束的机器人避障和时间最优轨迹规划方法

说明书

本发明涉及一种工业机器人轨迹规划方法，特别是一种冲击约束的机器人避障和时间最优轨迹规划方法。该轨迹规划系统能够在输入有限参数条件下，自主离线规划出满足速度、加速度及加加速度限制的平滑轨迹。该系统主要包括路径规划模块、样条插值模块、避障处理模块以及时间优化轨迹规划模块。路径规划模块在障碍物斥力场下引入目标偏置和目标偏好思想，样条插值模块采用五次样条插值函数对路径关键节点进行插值平滑，避障处理模块利用几何精细检测方法对工业机器人和障碍物执行避碰处理，其中机器人连杆和焊枪利用胶囊体包络，障碍物利用球体包络，时间优化轨迹模块将等级制度和贪婪策略与传统的鲸鱼优化算法相结合，提高了算法的全局搜索能力。

技术领域

本发明属于工业机器人轨迹规划领域，更具体地，涉及一种冲击约束的机器人避障和时间最优轨迹规划方法。

背景技术

工业机器人是由机械、电子和计算机三者有机结合的机器装置，实现各工业加工制造功能，被广泛应用于柔性生产线、自动化工厂等各个工业领域。在工业现场，只需给工业机器人运动的作业起止点，机器人经过若干个作业点便可完成相应动作，为保证机器人起止点间运动的柔顺性，减少机械结构磨损，并且在满足伺服电机各项指标的前提下快速动作，需对机器人的动作过程进行轨迹规划。

工业机器人的运动轨迹直接影响其能量消耗和工作时间，是保障机器人执行效率和运行性能的关键技术。一般而言，随着作业空间内障碍物数目的增加和尺寸的变大，机器人作业点之间的求解空间也会迅速复杂起来，时间最优轨迹规划问题可以转化为求取各控制节点间隔时间的复杂非线性寻优过程，求解该类问题的方法包括遗传算法、人工蜂群算法、蛙跳算法以及Memetic算法等。由于轨迹规划考虑的因素众多且比较复杂，难以由人工得到比较合理的轨迹。

综上所述，在轨迹规划中充分考虑工业机器人及结构化障碍物，规划出一条满足作业任务要求的无碰撞、运动时间较短的理想轨迹，对提高工业机器人工作效率至关重要。

发明内容

针对工业机器人轨迹规划中存在障碍物的问题，本发明提出一种工业机器人的避障及时间最优轨迹规划的一体式解决方案，该系统能够在输入有限参数条件下，自主离线规划出满足速度、加速度及加加速度限制的平滑轨迹。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：该系统采用模块化方法完成工业机器人的轨迹规划，主要包括路径规划模块、样条插值模块、避障处理模块以及时间优化轨迹规划模块。路径规划模块在RRT*算法基础上，基于障碍物斥力场安全约束引入目标偏置和目标偏好思想，压缩搜索空间并加快工业机器人最短路径的搜索速度；样条插值模块采用五次样条插值函数对路径关键节点进行插值平滑，以初始与终止速度和初始与终止加速度为固定边界条件构建AT矩阵；避障处理模块利用几何精细检测方法对工业机器人和障碍物执行避碰处理，利用机器人正逆运动学求得机器人关节、基座TCP点，其中机器人连杆和焊枪利用胶囊体包络，障碍物利用球体包络；时间优化轨迹模块将等级制度和贪婪策略与传统的鲸鱼优化算法相结合，提高了算法的全局搜索能力。

一种冲击约束的机器人避障和时间最优轨迹规划方法，包括如下步骤：

S1：初始化环境模型、障碍物环境和机器人模型，初始化鲸鱼种群中鲸鱼数量、迭代次数和初始种群解；

S2：设置焊枪的姿势及改进RRT*算法的初始步长，设置机器人笛卡尔空间的初始与终止速度为0m/s，初始与终止加速度为0m/s2；

S3：输入工作环境的X、Y、Z轴范围，输入机器人DH模型参数，输入初始节点q_init与目标节点q_goal的位置，输入机器人的TCP点的速度、加速度和加加速度的极限值；

S4：根据障碍物到目标节点q_goal的距离和障碍物数量计算斥力场范围；

S5：判断初始节点与终止节点是否满足规范，即是否在观测范围内，该处的机器人逆解是否存在以及是否在障碍物斥力场范围外，该处机器人是否与障碍物发生碰撞；