CN108638055A - 一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法 - Google Patents

一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法 Download PDF

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Abstract

一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，首先在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据，然后依次选取末端的运动路径点数据，固定任一冗余关节角度进行逆运动学计算，得到当前末端的运动路径点数据对应的其它关节的角度，最后对得到的当前末端的运动路径点数据对应的所有关节的角度进行碰撞检测，通过对固定的关节角度进行自适应调整，得到所有末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的自主避障规划。

Description

一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法
技术领域
本发明涉及一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法。
背景技术
空间机械臂在执行空间操作的过程中，如何保证其安全性是空间机械臂技术发展面临的一个重要问题。当空间机械臂进行空间操作时，由于空间机械臂、以及目标物的附近通常安装有其他产品，因此运动过程中需要考虑与障碍物之间的碰撞问题。然而，由于天地传输大延时的存在，通过地面监控无法实现对空间机械臂的实时保护，这就要求空间机械臂具备在轨自主避障的能力。在轨自主避障技术是确保空间机械臂系统安全稳定运行的关键问题，也是提高空间机械臂自主能力和智能水平的重要问题。
目前的空间机械臂路径规划方法主要包括两大类：自由空间法和人工势场法。自由空间法将障碍物映射到C空间，形成C空间障碍，那么C空间的补集就对应自由空间，然后在自由空间中搜索一条无碰路径进行运动。人工势场法对障碍物定义一个排斥势场，对目标定义一个吸引势场，机械臂在两个势场的作用下进行运动，从而实现避障规划。
上述文献的技术方案的缺点主要体现在：(1)计算量都很大，尤其是对于多自由度冗余机械臂，而由于空间辐照环境的影响，空间机械臂所选用的宇航级处理器计算性能较差，因此很难满足上述方法实时计算的要求；(2)上述方法由于实现复杂因此导致实时性较差，主要用于离线避障规划，很难实现在线避障规划。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，计算量小、易于工程实现，非常适合处理器计算能力不足的空间机械臂系统。
本发明的技术解决方案是：一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，包括如下步骤：
(1)在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据；
(2)依次选取末端的运动路径点数据，固定任一冗余关节角度进行逆运动学计算，得到当前末端的运动路径点数据对应的其它关节的角度；
(3)对得到的当前末端的运动路径点数据对应的所有关节的角度进行碰撞检测，通过对固定的关节角度进行自适应调整，使得当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂与障碍物不发生碰撞；
(4)重复上述过程，直至得到所有末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的自主避障规划。
所述的在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据的方法为：
(11)根据任务需求确定七自由度空间机械臂末端需要到达的目标位置、姿态；
(12)根据目标位置、姿态在任务空间对七自由度空间机械臂末端的运动进行路径规划，得到七自由度空间机械臂末端的N个运动路径点数据Ei，i＝1,2，……，N，其中，N为正整数。
所述的依次选取末端的运动路径点数据，固定任一冗余关节角度进行逆运动学计算，得到当前末端的运动路径点数据对应的其它关节的角度的方法为：
(21)选取七自由度空间机械臂的7个关节中的任一冗余关节k，固定该关节的角度为θk，得到等效六自由度空间机械臂，其中，1≤k≤7，且k为整数，θk的初值为0；
(22)选取第i个末端运动路径点数据Ei进行逆运动学计算，得到与Ei对应的等效六自由度空间机械臂的关节角度，进而得到Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度，其中i为正整数。
所述的对得到的当前末端的运动路径点数据对应的所有关节的角度进行碰撞检测，通过对固定的关节角度进行自适应调整，使得当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂与障碍物不发生碰撞的方法为：
(31)对得到的末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的关节角度，采用碰撞检测的方法判断是否与障碍物发生碰撞，如果不发生碰撞，则转至步骤(4)，否则转至步骤(32)；
(32)获取关节角度增量初值，将当前固定关节的关节角度设置为θk+关节角度增量，重新计算当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的关节角度；
(33)采用碰撞检测的方法判断是否与障碍物发生碰撞，如果不发生碰撞，则转至步骤(4)，否则转至步骤(34)；
(34)将当前固定关节的关节角度设置为θk-关节角度增量，重新计算当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的关节角度；
(35)采用碰撞检测的方法判断是否与障碍物发生碰撞，如果不发生碰撞，则转至步骤(4)，否则设置Δ＝2×Δ，转入至步骤(32)，直至对得到的当前末端的运动路径点数据对应的所有关节的角度进行碰撞检测，通过对固定的关节角度进行自适应调整，使得当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂与障碍物不发生碰撞。
所述的关节角度增量初值为0.1度。
所述的重复上述过程，直至得到所有末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的自主避障规划的方法为：
(41)判断i是否等于七自由度空间机械臂末端的运动路径点数据个数N，如果相等，则结束当前自主避障规划；，否则转至步骤(42)；
(42)设置i＝i+1，重新转回至步骤(2)。
所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求6任意所述方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法与现有技术相比，原理简单、计算量小、易于工程实现，非常适合处理器计算能力不足的空间机械臂系统；
(2)本方法方法与现有技术相比，实时性好，既可以用于离线自主避障规划，也可以实现在线实时自主避障规划；
(3)本方法方法与现有技术相比，可扩展性好，当外部障碍物环境发生变化时，只需修改碰撞检测模块，便可以实现不同环境下的自主避障规划。
附图说明
图1为七自由度空间机械臂及环境示意图；
图2本发明七自由度空间机械臂自主避障规划方法流程图；
图3不采用自主避障方法时的关节角度曲线；
图4不采用自主避障方法时的碰撞检测信号曲线；
图5采用本专利自主避障方法时的关节角度曲线；
图6采用本专利自主避障方法时的碰撞检测信号曲线。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，克服现有技术的不足，提供了一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，计算量小、易于工程实现，非常适合处理器计算能力不足的空间机械臂系统，包括步骤如下：
(1)根据任务需求，在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据；
(2)依次选取步骤(1)得到的末端的运动路径点数据，固定某一个关节(冗余关节)角度保持不变，进行逆运动学计算得到关节的运动路径点数据；
(3)对步骤(2)得到的关节的运动路径点数据进行碰撞检测，并通过对固定的关节角度进行自适应调整，避免七自由度空间机械臂与障碍物发生碰撞；
(4)重复上述过程，直至七自由度空间机械臂的末端到达最后的运动路径点。
步骤(1)根据任务需求，在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据的方法如下：
(1.1)根据任务需求，确定七自由度空间机械臂末端需要到达的目标位置和姿态；
(1.2)根据步骤(1.1)得到的目标位置和姿态，在任务空间对七自由度空间机械臂末端的运动进行路径规划，得到七自由度空间机械臂末端的N个运动路径点数据Ei(i＝1,2，……，N)。
步骤(2)依次选取步骤(1)得到的末端的运动路径点数据，固定某一个关节(冗余关节)角度保持不变，进行逆运动学计算得到关节的运动路径点数据的方法如下：
(2.1)选取七自由度空间机械臂的7个关节中的某个关节k(1≤k≤7)，保持该关节的关节角度固定为θk(初始θk＝0)，将七自由度空间机械臂等效为一个六自由度空间机械臂；
(2.2)选取步骤(1.2)中得到的第i(初始i＝1)个末端运动路径点数据Ei，基于步骤(2.1)中得到的等效六自由度空间机械臂，进行逆运动学计算，得到与Ei对应的等效六自由度空间机械臂的关节角度[θ1 … θk-1 θk+1 … θ7]；
(2.3)基于步骤(2.1)中的θk和步骤(2.2)得到的[θ1 … θk-1 θk+1 … θ7]，计算与Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度Θdi＝[θ1 … θk-1 θk θk+1 … θ7]。
步骤(3)对步骤(2)得到的关节的运动路径点数据进行碰撞检测，并通过对固定的关节角度进行自适应调整，避免七自由度空间机械臂与障碍物发生碰撞的方法如下：
(3.1)对步骤(2.3)得到的关节角度Θdi，采用碰撞检测的方法，判断是否与障碍物发生碰撞：如果不发生碰撞，则转至步骤(4.1)；否则，转至步骤(3.2)；
(3.2)设置关节角度增量Δ＝Δ0，设置θk0＝θk，Δ0可以根据具体情况进行取值，一般可以取为0.1度；
(3.3)将关节k的关节角度设置为θk＝θk0+Δ，依据步骤(2.1)、(2.2)和(2.3)的方法重新计算与Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度Θdi；
(3.4)对步骤(3.3)得到的关节角度Θdi，采用碰撞检测的方法，判断是否与障碍物发生碰撞：如果不发生碰撞，则转至步骤(4)；否则，转至步骤(3.5)；
(3.5)将关节k的关节角度设置为θk＝θk0-Δ，依据步骤(2.1)、(2.2)和(2.3)的方法重新计算与Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度Θdi；
(3.6)对步骤(3.5)得到的关节角度Θdi，采用碰撞检测的方法，判断是否与障碍物发生碰撞：如果不发生碰撞，则转至步骤(4)；否则，设置Δ＝2×Δ，重新转回至步骤(3.3)。
步骤(4)重复上述过程，直至七自由度空间机械臂的末端到达最后的运动路径点的方法如下：
(4.1)判断i是否等于步骤(1.2)中得到的七自由度空间机械臂末端的运动路径点数据个数N：如果相等，则完成了自主避障规划；否则，转至步骤(4.2)；
(4.2)设置i＝i+1，重新转回至步骤(2.1)。下面结合实施例对本发明方法进行详细的解释和说明。
实施例1：
以某七自由度关节式空间机械臂为例，其结构参数值见表1。这里空间机械臂的结构参数采用DH参数表示法，每个连杆由4个参数表示：ai表示连杆长度，di表示两连杆距离，αi表示连杆扭角，θi表示关节角度，这里i≥1表示第i个连杆。
表1七自由度空间机械臂DH参数值
连杆 ai(mm) di(mm) αi(deg) θi(deg)
1 0 0 0 θ1
2 0 175 -90 θ2
3 0 900 -90 θ3
4 0 165 90 θ4
5 0 900 90 θ5
6 0 0 90 θ6
7 0 0 -90 θ7
如图1所示，空间机械臂基准坐标系为O-XYZ，图中空间机械臂处于初始时的构型，障碍物为一个平行于YOZ面的平面，X轴位置为650mm。
如图2所示，本发明的具体步骤如下：
(1)根据任务需求，在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据；
首先，根据任务需求，确定七自由度空间机械臂末端需要到达的目标位置和姿态。假设相对于空间机械臂基准坐标系，完成任务所需的目标位置为[0.3 0.51.2](单位：m)，目标姿态为[0 0 0](单位：度，3-1-2转序欧拉角)
然后，根据得到的目标位置和姿态，在任务空间对七自由度空间机械臂末端的运动进行路径规划，得到七自由度空间机械臂末端的N个运动路径点数据Ei(i＝1,2，……，N)。这里令空间机械臂末端做直线运动，起始点与目标点的姿态保持不变，位置则沿直线进行运动，取N＝100，从而得到100个末端的运动路径点数据。
(2)依次选取步骤(1)得到的末端的运动路径点数据，固定某一个关节角度保持不变，进行逆运动学计算得到关节的运动路径点数据；
首先，选取七自由度空间机械臂的7个关节中的某个关节k(1≤k≤7)，这里选关节3，保持关节3的关节角度固定为θ3(初始θ3＝0)，将七自由度空间机械臂等效为一个六自由度空间机械臂。
然后，选取步骤(1)中得到的第i(初始i＝1)个末端运动路径点数据Ei，基于等效六自由度空间机械臂，进行逆运动学计算，得到与Ei对应的等效六自由度空间机械臂的关节角度[θ1…θ2θ4…θ7]，进而得到与Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度Θdi＝[θ1θ2θ3θ4θ5θ6θ7]。
(3)对步骤(2)得到的关节的运动路径点数据进行碰撞检测，并通过对固定的关节角度进行自适应调整，避免七自由度空间机械臂与障碍物发生碰撞；
(3.1)对步骤(2)得到的关节角度Θdi，采用碰撞检测的方法，判断是否与障碍物发生碰撞：如果不发生碰撞，则转至步骤(4)；否则，转至步骤(3.2)；
(3.2)设置关节角度增量Δ＝Δ0，设置θ30＝θ3，Δ0这里取为0.1度；
(3.3)将关节3的关节角度设置为θ3＝θ30+Δ，依据步骤(2)的方法重新计算与Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度Θdi；
(3.4)对得到的关节角度Θdi，采用碰撞检测的方法，判断是否与障碍物发生碰撞：如果不发生碰撞，则转至步骤(4)；否则，转至步骤(3.5)；
(3.5)将关节3的关节角度设置为θ3＝θ30-Δ，依据步骤(2)的方法重新计算与Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度Θdi；
(3.6)对步骤(3.5)得到的关节角度Θdi，采用碰撞检测的方法，判断是否与障碍物发生碰撞：如果不发生碰撞，则转至步骤(4)；否则，设置Δ＝2×Δ，重新转回至步骤(3.3)；
(4)重复上述过程，直至七自由度空间机械臂的末端到达最后的运动路径点。
判断i是否等于100：如果相等，则完成了自主避障规划；否则，设置i＝i+1，重新转回至步骤(2)继续进行避障规划。
图3是不采用自主避障方法时的关节角度曲线，整个过程中关节3始终保持为0度。图4是不采用自主避障算法时的碰撞检测信号曲线，不发生碰撞时，碰撞检测信号为0，发生碰撞时为1。可以看到，不采用自主避障方法时，在第25个运动路径点开始，空间机械臂与障碍物发生碰撞，并且持续至运动结束。
图5是采用本专利自主避障方法时的关节角度曲线，图6是采用本专利自主避障方法时的碰撞检测信号曲线。可以看到，从第25个运动路径点开始，本专利自主避障方法开始自主调节关节3的角度值，从而实现了整个运动过程不与障碍物发生碰撞，成功实现自主避障规划。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据；
(2)依次选取末端的运动路径点数据，固定任一冗余关节角度进行逆运动学计算，得到当前末端的运动路径点数据对应的其它关节的角度；
(3)对得到的当前末端的运动路径点数据对应的所有关节的角度进行碰撞检测，通过对固定的关节角度进行自适应调整，使得当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂与障碍物不发生碰撞；
(4)重复上述过程，直至得到所有末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的自主避障规划。
2.根据权利要求1所述的一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，其特征在于：所述的在任务空间对七自由度空间机械臂的末端进行路径规划，得到末端的运动路径点数据的方法为：
(11)根据任务需求确定七自由度空间机械臂末端需要到达的目标位置、姿态；
(12)根据目标位置、姿态在任务空间对七自由度空间机械臂末端的运动进行路径规划，得到七自由度空间机械臂末端的N个运动路径点数据Ei，i＝1,2，……，N，其中，N为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，其特征在于：所述的依次选取末端的运动路径点数据，固定任一冗余关节角度进行逆运动学计算，得到当前末端的运动路径点数据对应的其它关节的角度的方法为：
(21)选取七自由度空间机械臂的7个关节中的任一冗余关节k，固定该关节的角度为θk，得到等效六自由度空间机械臂，其中，1≤k≤7，且k为整数，θk的初值为0；
(22)选取第i个末端运动路径点数据Ei进行逆运动学计算，得到与Ei对应的等效六自由度空间机械臂的关节角度，进而得到Ei对应的七自由度空间机械臂的关节角度，其中i为正整数。
4.根据权利要求3所述的一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，其特征在于：所述的对得到的当前末端的运动路径点数据对应的所有关节的角度进行碰撞检测，通过对固定的关节角度进行自适应调整，使得当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂与障碍物不发生碰撞的方法为：
(31)对得到的末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的关节角度，采用碰撞检测的方法判断是否与障碍物发生碰撞，如果不发生碰撞，则转至步骤(4)，否则转至步骤(32)；
(32)获取关节角度增量初值，将当前固定关节的关节角度设置为θk+关节角度增量，重新计算当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的关节角度；
(33)采用碰撞检测的方法判断是否与障碍物发生碰撞，如果不发生碰撞，则转至步骤(4)，否则转至步骤(34)；
(34)将当前固定关节的关节角度设置为θk-关节角度增量，重新计算当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的关节角度；
(35)采用碰撞检测的方法判断是否与障碍物发生碰撞，如果不发生碰撞，则转至步骤(4)，否则设置Δ＝2×Δ，转入至步骤(32)，直至对得到的当前末端的运动路径点数据对应的所有关节的角度进行碰撞检测，通过对固定的关节角度进行自适应调整，使得当前末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂与障碍物不发生碰撞。
5.根据权利要求4所述的一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，其特征在于：所述的关节角度增量初值为0.1度。
6.根据权利要求4所述的一种七自由度空间机械臂自主避障规划方法，其特征在于：所述的重复上述过程，直至得到所有末端的运动路径点数据对应的七自由度空间机械臂的自主避障规划的方法为：
(41)判断i是否等于七自由度空间机械臂末端的运动路径点数据个数N，如果相等，则结束当前自主避障规划；，否则转至步骤(42)；
(42)设置i＝i+1，重新转回至步骤(2)。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求6任意所述方法的步骤。
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