[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

说明书

一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法，其特征是首先建立机械臂运动学模型与障碍物模型，推导出各参数之间的转换关系；其次通过空间点与障碍物、目标点的距离求出该空间点的总体势能，并通过路径总长、关节最大偏角及与障碍物的最近距离，制定评价函数；在指定关节最大偏转角度的前提下，推导出等步长与变步长中小臂杆的最大偏角与小臂杆长度之间的关系，从而得到下个离散点的选取范围；根据是否等步长、路径方向、初始点方向是否确定这三个因素，得到了六种子算法，采用这些算法进行路径规划得到离散点，利用直线将离散点转换为连续路径，利用评价函数选出六种算法下的最优路径，完成可限制偏角的路径规划。

技术领域

本发明涉及机械臂的路径规划领域，特别涉及一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法。

背景技术

具有多个自由度、多种运动模式的机械臂可在狭小、复杂以及非结构化的环境中执行任务，具有极好的环境适应性和极高的避障能力，广泛应用于各领域。为了更好的利用机械臂完成任务，进行路径规划尤为重要。

然而，由于机械臂关节结构的影响，关节存在最大偏角，而机械臂沿着传统算法规划出的路径运动时，关节偏角会超过最大偏角，即机械臂沿着传统算法规划出的路径无法实现运动。故需提出一种考虑机械臂关节最大偏角的算法，在存在障碍物的环境中，为机械臂规划出评价指标高的路径。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法。通过路径规划指定机械臂的运动，目前的算法都是针对路径总长、与障碍物的距离等因素进行规划，未考虑关节最大偏角进行路径规划，因此为了规划出满足机械臂关节角度限制的路径，需要制定有效的算法来确定路径中各个离散点的选取范围。

本发明采用的的技术方案是：

一种基于最小势能算法的可限制偏角的路径规划方法，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；