[发明专利]一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法

权利要求书

1.一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法，其特征在于步骤如下：

步骤一，建立机械臂运动学模型：建立相对于地面固定不变的世界坐标系、基座的本体坐标系以及八个臂杆的本体坐标系，通过转换矩阵进行各坐标系之间的变换，在转换矩阵的基础上推导出各驱动绳长度、关节角度、臂杆末端点之间的转换关系，建立起机械臂运动学模型；

步骤二，障碍物建模：将不规则形状障碍物转换为常见形状障碍物；

步骤三，计算空间点与障碍物之间的距离d_obs以及空间点与目标点之间的距离d_aim；把空间点(x,y,z)与每个障碍物之间的距离d_obsi中最小值作为空间点(x,y,z)与障碍物之间的距离d_obs，即d_obs＝min(d_obsi)；

步骤四，将计算得出的d_obs、d_aim分别转换为与障碍物相关的斥力势能E_obs、与目标点相关的引力势能E_aim，进而求出该空间点(x,y,z)的总体势能E＝E_aim-E_obs；

步骤五，考虑路径总长、关节最大偏角及与障碍物的最近距离，制定评价函数；

步骤六，在指定关节最大偏转角度的前提下，通过将一个臂杆等效为n个虚拟小臂杆，推导出等步长与变步长中虚拟小臂杆的最大偏角γ_n与虚拟小臂杆长度l_n之间的关系，从而得到下个离散点的选取范围；虚拟小臂杆的末端点即为下个离散点；

步骤七，根据是否等步长、路径方向、初始点方向是否确定三个因素，确定六种算法，并分别采用六种算法进行路径规划，得到每种算法中规划出路径对应的离散点；所述六种算法分别为第一等步长算法、第二等步长算法、第三等步长算法、第一变步长算法、第二变步长算法和第三变步长算法；

步骤八，根据路径规划得到的离散点，利用直线将离散点转换为连续路径，求出每条路径各自对应的路径总长，根据逆运动学求解方法求出机械臂沿着该路径运动时的关节最大偏角及与障碍物的最近距离，利用评价函数选出所有路径中的最优路径，即可规划出可限制关节偏角且最优的路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法，其特征在于：所述机械臂包括机械臂本体结构、驱动机构以及滑台；机械臂本体结构由八个刚性臂杆串联而成，臂杆之间通过十字轴万向节连接，驱动机构包括伺服电机、联轴器、丝杠和滑块，联轴器安装于丝杠两端，通过伺服电机带动丝杠转动来控制滑块前后移动，从而拉动驱动绳产生位移，通过控制驱动绳产生的位移及拉力调整各个臂杆的两个自由度；机械臂本体结构安装在滑台上，在滑台上移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法，其特征在于：所述步骤四将计算得出的d_obs、d_aim分别转换为与障碍物相关的斥力势能E_obs、与目标点相关的引力势能E_aim，进而求出该空间点(x,y,z)的总体势能E＝E_aim-E_obs，具体为：

其中e为自然常数，d_obs为空间点与障碍物之间的最近距离，d_aim为空间点与目标点之间的距离。

4.根据权利要求3所述的一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法，其特征在于：所述步骤五根据路径总长、关节最大偏角及与障碍物的最近距离，制定评价函数，具体为：

其中J为评价函数的数值，P_long为路径总长，max(ψ_i)为机械臂沿着该路径运动过程中关节最大偏转角度，min(d_obs)为机械臂沿着该路径运动过程中与障碍物的最近距离。