[发明专利]预选择最小距离指标冗余机器人动态避障方法

说明书

技术领域

本发明涉及障碍物随机运动的环境下，预选择最小距离指标冗余机器人动态避障路径规划方法，在动态避障规划前便剔除安全杆件，并采用局部映射距离计算方法，得出实时最小距离。本发明无需计算障碍物到所有杆件的最小距离，提高了动态避障的规划效率，满足实时性的要求。属于智能机器人技术领域。 

背景技术

冗余机器人，是指关节空间维数n大于任务空间维数m，可以在自运动而不影响末端位姿的情况下实现多种二次目标。由于任务环境越来越复杂，要求冗余机器人具有更高的智能性，其中动态避障是机器人自主路径规划中一个重要的组成部分，日益成为人们关注的焦点。 

目前，利用杆件与障碍物的距离信息完成避障规划是学者们的研究重点。Maciejiewski和Khatib应用人工势场法，通过距离信息建立吸引势场和排斥势场完成避障。LALIBERTE等人针对人工势场法容易发生局部极小的不足，提出了离散势场法，从而减少了局部极小发生的可能性。CHO等人基于流体力学的势流理论，提出了一种可以避免局部极小的新颖的速度排斥函数法。另外，Liegeois提出梯度投影法，利用最小距离指标，优化雅克比矩阵的零空间矢量，修改齐次解完成避障。IKADA等人提出一种潜在避障操作性能形状指标来控制机械臂达到易于避障的位形来进行避障，同时保持末端轨迹的跟踪。Kavraki等人提出了随机路标法，该方法通过环境距离检测，搜索出一些能够避开障碍物的关节坐标点来实现避障，但是随着机构的冗余度增加，计算量也在增加。 

避障指标选取的合适与否将直接影响到避障效果的好坏，特别对于动态避障，障碍物随机运动，选择合理的并能准确快速描述障碍物与机械臂位置关系的指标，对于保证避障规划的实时性尤为重要。 

传统的距离指标，需要计算障碍物到每个杆件的最小距离，然后再取最小值。当杆件处于某些特殊构形时，障碍物到杆件最小距离的垂足可能会落到杆件的延长线上，延长线并不属于机器人的一部分，对于该杆件计算的最小距离不准确，这时需要在杆件上取多个标志点并遍历各个标志点到障碍物的距离。可见，传统的距离避障指标，一是准确性不足，二是多个标志点的计算，耗费了大量的时间。对于传统的距离指标，可以完成静态避障规划，但是对于动态避障规划来说，障碍物随机运动，需要机器人在有限的时间内完成障碍物检测及关节的多种动作，对避障的效率提出了更高的要求。 

发明内容

基于上述，本发明提出在障碍物随机运动环境下，一种预选择距离指标冗余机器人动态避障路径规划方法，该方法无需计算障碍物到所有杆件的最小距离，并且采用局部映射距离计算方法，提高了冗余机器人动态避障的规划效率。 

为了实现此目的，本发明所采取的技术方案是： 

(1)对于冗余机器人各个杆件及随机运动障碍物建立相应的包围盒，减少基本几何元素的数目和参与相交测试的包围盒的数目。 

进一步的，本发明选用OBB方向包围盒建模，并设定包围盒的方向和杆件的方向重合，包围盒的长度和杆件的长度一致，宽度根据最小安全距离设定。面对全部关节都是旋转关节的冗余机器人，当杆件发生旋转运动后，只需让OBB盒的基底进行同样的旋转进行实时更新。对于形状不一的动态障碍物，采用球形包围盒。 

(2)实时检测运动障碍物与机器人杆件的相对位置关系，建立预选择最小距离指标H_d-min，其思想是：针对不同的机器人构型建立相应的包围盒，利用相交测试，在计算实时距离之前剔除其他安全杆件，只考虑相碰撞的杆件和障碍物的位置关系，并在杆件的局部坐标系中计算距离值。如果在相交测试中有多个杆件相交，则H_d-min取相交距离中最小的。在避障过程中，要求H_d-min越大越好，说明离障碍物越远，机器人越安全。 

具体步骤分为：2.1在机器人杆件的局部坐标系中，利用分离轴定理进行相交测试。2.2利用局部映射计算最小距离，优化传统距离计算方法。 

进一步的，所述2.1相交测试中，OBB包围盒采用分离轴检测方法，将障碍物的坐标转换到每个杆件的局部坐标系中，相交测试在局部坐标系下完成，分离轴减少到3个，即X、Y、z。如果在3个分离轴上，障碍物和机器人的投影全都重合，则判断相交。如果其中有一个分离轴上的投影分离，则不会发生碰撞，记为安全杆件，不作为计算实时距离的有效杆件。