可移动障碍物环境下的机械臂动态避障规划研究

发布时间：2020-06-14 23:48

【摘要】：在具有运动障碍物的环境中作业是机械臂常见的作业工况,如何根据障碍物的运动情况及时调整避障规划路径,是实现机械臂在动态障碍物环境中安全作业的关键。本文针对六自由度机械臂在动态环境中进行作业时,存在避障规划难度大、搜索空间大、实时性及规划效率低等问题,提出了一种基于障碍物映射与采样规划结合的机械臂动态避障规划方法:首先对机械臂工作空间进行栅格化分割并建立栅格索引;针对采样规划中经常需要查找邻近节点的特点设计样本存储结构以加快查询效率;构建任务空间与关节构形空间之间的映射关系,通过查询映射关系避免在线的碰撞检测,加快避障规划效率;基于快速行进树算法提出了用于离线规划的逆向快速行进树算法及用于在线规划的动态快速行进树算法,在二维地图环境中验证了算法的性能及应用于动态地图的有效性;搭建了虚拟仿真平台,完成仿真实验,开发了机械臂示教系统,将仿真结果生成示教系统控制代码,应用于真实环境下的避障作业,证明了本文的算法能有效用于六自由度机械臂的动态避障规划。第一章分析了机械臂在含有运动障碍物的环境中作业存在的问题,综述了机械臂避障运动规划算法、规划空间和障碍物表达等相关技术的国内外研究现状,阐述本文的研究内容,并给出本文的组织结构。第二章给出了任务空间与关节构形空间相结合的机械臂作业环境表达方式。针对障碍物可移动工况的特点,给出了具有可移动障碍物环境下机械臂避障规划的定义。然后以本课题组研发的HRT-120型六自由度串联机械臂为研究对象建立机械臂数学模型,采用蒙特卡洛法模拟机械臂的任务空间,基于栅格法对任务空间进行划分,并设计栅格索引。最后针对采样规划中需要经常查找邻近点的问题,设计了基于kd树的数据存储结构,加快树的搜索效率,为机械臂的动态避障规划提供表达基础。第三章提出了一种障碍物映射关系构建与障碍物实时映射的避障预分析方法。首先针对构建映射关系的过程中计算量大的特点,对机械臂碰撞模型进行简化与干涉分析。然后在关节构形空间中采样并生成样本点集和样本边集,基于遍历法构建任务空间到关节构形空间的映射关系。最后基于表面采样的方法和哈希表结构对动态障碍物进行分解和实时映射,避免了在线的碰撞检测,加快避障规划效率。第四章提出了一种基于快速行进树的动态避障规划算法。针对快速行进树算法中节点生长信息与根节点密切相关的特点,提出逆向快速行进树算法,以目标构形为根节点开始树的生长来配合动态环境中避障规划的实现。在线规划过程中,充分利用与障碍物发生干涉前的路径信息,对搜索树进行分离与重新连接,加快动态避障过程中重新规划路径的速度。在二维构形环境中进行了性能验证试验及可行性分析试验,试验结果证明本文提出的算法的有效性。第五章搭建了仿真实验平台并开发了工业机械臂示教系统,完成了动态避障实验。首先基于SolidWorks和MATLAB搭建虚拟避障实验平台,在虚拟环境下验证本文提出的算法应用于六自由度机械臂的有效性。然后介绍了示教系统总体框架,并重点说明了编程示教与示教再现功能的实现。基于示教系统开发避障规划模块,将仿真结果转换为示教代码,在真实环境中验证结果的正确性。第六章对本文的内容和创新点进行总结,并针对不足之处和后续需要继续深入研究的方向进行了展望。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241
【图文】：

运动学,关节,构形空间,驱动器

１．２．２规划空间与障碍物的表达逡逑一个机械臂的位姿描述有三种表示方法：驱动器空间描述、关节构形空间描逡逑述和任务空间描述，其映射关系如图１－１所示。自由度为ｎ的机械臂，其所有连逡逑杆的位置可由ｎ个关节确定，这一组关节值也称为关节矢量，全部关节矢量构成逡逑的空间称为关节构形空间。任务空间是机械臂所在的笛卡尔空间。机械臂的单个逡逑关节的运动由一个或者多个驱动器控制，当实际控制机械臂运动时，关节矢量需逡逑要被表示为一组驱动器函数，即驱动器矢量，全部驱动器矢量构成的空间称为驱逡逑动器空间［３５］。逡逑驱动器逦关节逦任务逡逑空间逦构形空间逦空间逡逑图１－１不同运动学描述之间的映射逡逑５逡逑

论文,组织结构,动态避障,构形空间

间到关节构形空间的映射关系的建立、基于快速行进树的动态避障搜索算法三个逡逑方面展开研究，第五章开发了工业机械臂示教系统并搭建了动态避障实验平台，逡逑完成避障实验。第六章总结和分析了全文并进行展望，具体如

【参考文献】