[发明专利]柔性机械臂在线臂形规划方法

说明书

本发明公开了一种柔性机械臂在线臂形规划方法，依据柔性机械臂初始末端位姿和目标末端位姿，通过柔性机械臂逆运动学模型得到柔性机械臂初始臂形和目标臂形；再基于快速扩展随机树算法从包含柔性机械臂和障碍物的空间中确定连接初始臂形和目标臂形之间的若干有效臂形序列，构成柔性机械臂的无碰撞路径规划方案，同时生成在线碰撞‑自由地图。本发明解决了具有变形特性的柔性机械臂臂形在线规划问题。

技术领域

本申请属于机器人自动控制技术领域，涉及柔性机械臂臂形控制，尤其涉及在特定环境中运动过程中的柔性机械臂臂形规划问题。

背景技术

柔性机械臂在给定初始状态和目标状态的前提下，可通过逆运动学模型求解计算出柔性机械臂的驱动空间解，进而控制柔性臂运动至指定位置。但是，在特定环境(例如空间存在障碍物)的运动过程中，如何进行臂形规划以对柔性机械臂的臂形进行控制，使其在运动过程中不会出现与环境发生碰撞，同时能完成从初始状态至目标状态的运动，是一个尚待解决的问题。

申请号为CN202110500442.2的申请文件公开了基于改进快速扩展随机树的冗余机械臂避障轨迹规划方法，首先建立刚性冗余机械臂正逆运动学模型，然后通过逆运动学模型求解目标状态下的机械臂关节角，再将障碍物向机械臂的关节空间映射，得到冗余机械臂在关节空间内的无碰撞自由空间，随后在该无碰撞自由空间内建立搜索树，根据选取规则有条件地选取随机采样节点，最终在无碰撞自由空间内规划轨迹。

然而，由于刚性机械臂的空间臂形与关节角之间存在线性化数学联系，在将障碍物向机械臂的关节空间映射的过程不具有普适性，因此上述冗余机械臂避障轨迹规划方法只适用于刚性机械臂，即该方法无法适用于机械臂本体可变形的柔性机械臂装置。而且，由于该方法在属于离线式轨迹规划，必须先构建描述机械臂和障碍物之间空间位置关系的自由-碰撞地图，才能利用现有规划方案在该二维栅格地图中进行臂形规划，无碰撞自由空间的获取是一个计算耗时而又非必要的环节，存在计算量大的弊端。

发明内容

本发明目的旨在提供一种柔性机械臂在线臂形规划方法，解决障碍物空间中末端位姿导向下的带有形变特性的柔性机械臂臂形规划问题。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。

本发明提供的柔性臂在线臂形规划方法，应用RRT规划出臂形空间的无碰撞路径，同时生成在线碰撞-自由地图；结合柔性臂逆运动学模型，得到柔性臂控制信号，实现柔性臂在末端位姿导向的过程中无碰撞地运动。

基于上述分析，本发明提供的柔性机械臂在线臂形规划方法，具体包括以下步骤：

S1依据柔性机械臂初始末端位姿和目标末端位姿，通过柔性机械臂逆运动学模型得到柔性机械臂初始臂形和目标臂形；

S2基于快速扩展随机树算法从包含柔性机械臂和障碍物的空间中确定连接初始臂形和目标臂形之间的若干有效臂形序列，构成柔性机械臂的无碰撞路径规划方案，同时生成在线碰撞-自由地图；以柔性机械臂臂形作为待生成随机树中的节点；该步骤包括以下分步骤：

S20对随机树进行初始化；

S21在包含柔性机械臂和障碍物的空间进行采样，得到一个随机节点q_rand；

S22寻找随机树中与随机节点q_rand最近的近节点q_near；

S23基于随机节点q_rand、近节点q_near和设定的扩展距离，得到候选节点q_pre-new；