[发明专利]一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法

说明书

本发明公开了一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法；为了提高其规划效率并避免逆运动学求解所带来的繁琐计算，设计一种基于人工势场法的拓展策略，用关节空间内发生碰撞的机械臂关节角组来表示相应的障碍物信息，并将其应用于目标偏向的双向快速随机搜索树方法中以此提高机械臂的避障能力；然后提出一种直连策略，在生成新节点前判断当前搜索树的最新节点能否与另一颗搜索树直接相连，以此提高搜索的效率。

技术领域

本发明涉及一种关节空间内的新型势能指引双向RRT*方法，主要应用于机械臂的路径规划，属于机器人技术领域。

背景技术

路径规划是保障机械臂安全作业的关键技术之一，它能够在给定机械臂的初始状态与目标状态的前提下，使得机械臂可以自动规划出一条无碰撞的最优路径。路径规划方法一般可以分为以下三类：基于图形的搜索方法、人工势场法和基于采样的规划方法。其中RRT方法是目前应用最广泛的路径规划方法中的一种，它是一种基于采样的全局规划方法，并且具有概率完备性，但其收敛速度较慢，且无法保证规划出的路径是最优解，因此针对上述问题在RRT方法的基础上又衍生出三种方法，分别为目标偏向RRT方法，双向RRT方法与RRT*方法。为了进一步提高规划性能，将三种衍生方法彼此结合，得到目标偏向的双向RRT*方法(简称GB-RRT*)。

机械臂的路径规划既能在任务空间内进行也能在关节空间内进行，但任务空间内的路径规划需要进行逆运动学求解，计算繁琐，效率低，因此本发明在关节空间内采用GB-RRT*方法对机械臂进行路径规划。但GB-RRT*方法未考虑障碍物对运动对象的影响，所以规划过程中会出现许多无效节点，从而影响其规划效率。针对上述问题将人工势场法与RRT*方法相结合，减少无效节点的产生并提高了规划效率。然而，基于人工势场法的GB-RRT*方法(简称PB-RRT*)并不适用于关节空间内的路径规划，因人工势场法需要在障碍物处设置虚拟的排斥力，那么就必须获得障碍物的相关描述信息，但障碍物无法直接在关节空间内进行表述，所以人工势场法无法直接应用于关节空间。

因此如何在关节空间内有效地描述障碍物信息，是PB-RRT*方法应用于关节空间内机械臂路径规划时亟待解决的问题。

发明内容

本发明索要解决的技术问题是：为了实现机械臂的路径规划并提高其效率，提出了一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法(简称NPB-RRT*)。将人工势场法与GB-RRT*方法相结合，采用发生碰撞的机械臂关节角组来描述关节空间内的障碍物信息，并对关节空间内的NPB-RRT*方法进一步改进，在执行采样操作之前通过直连策略判断两颗搜索树的连通性，以此突破拓展步长的限制从而提高方法的搜索效率。

本发明采用的技术方案是，一种适用于机械臂关节空间路径规划的新型双向RRT*方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，分别在初始关节角q_start与目标关节角q_goal处各建立一颗搜索树T₁与T₂，并将这两组关节角作为各自的根节点；

步骤2，计算搜索树T₁的最新节点q_current与搜索树T₂中所有节点之间的距离，然后挑选出与节点q_current距离最近的节点q_closest，并对两者进行直连判断；若结果显示两者无法直连，则舍弃该局部路径并执行步骤3的操作；反之，则将这两个节点直接相连，并结束整个规划过程；