CN111168675B - 一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，包括以下步骤：首先建立球形障碍物模型，用改进的人工势场方法找出一条机械臂末端器的避障路径；然后求解机械臂各连杆与障碍物的距离来检测是否发生碰撞，通过附加速度背离法来调整机械臂各杆件的轨迹，使得各个连杆均不与障碍物碰撞，从而得到一条能使整个机械臂(包括末端器和连杆)安全避障的轨迹。最后运用融合了最小阻尼二乘法的伪逆法对冗余机械臂求解运动学逆解，对上述的轨迹路径上的位置和姿态进行连续跟踪。考虑到家用服务机器人在复杂家庭环境下的实际使用需求，应用该动态避障方法能够很大程度上提高机器人的安全性和实用性。
Description
技术领域
发明涉及机械臂运动规划技术领域，确切地说，是一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，该方法可以有效解决家用服务机器人在复杂家庭环境下的机械臂运动安全性问题。对比一般的机械臂静态避障方法，该方法可以让家用服务机器人在抓取和递送物品时很好地进行机械臂的动态避障。考虑到家用服务机器人的实际使用需求，该方法能够很大程度上提高家用服务机器人的安全性和实用性。
背景技术
随着科技的发展和人民生活水平的提高，智慧家庭这个概念离人们的生活也不再遥远。在智慧家庭中，各种智能家电已经实现了信息互联，但是对于物品的抓取操作还远远不够，而家用服务机器人则能够很好得完成这一任务。家用服务机器人要在复杂多变的家庭环境中完成物品的抓取和递送任务，最关键一项技术就是机械臂的避障轨迹规划。具体而言，如果机械臂的抓取没有避障规划或者仅有静态避障规划，当机械臂运动时极其容易碰撞到用户或者其他物品，导致用户受伤或者物品损坏，因此，在家用服务机器人上运用动态避障规划算法是十分有必要的，这能够很好得保证其使用过程中的安全性，为家用服务机器人走进家庭提供基础。
关于机械臂的避障路径规划方法有很多，如模拟退火法、随机采样算法、遗传算法等，比较经典的是用蚁群算法，其具有极强的鲁棒性和搜索较好解的能力。但是，这种方法多用于2维平面或者2维等高平面，在3维空间中实现基于蚁群算法的避障需要增加大量的计算。而人工势场法以其快捷的环境描述形式在实时避障、运动规划中得到了广泛应用。人工势场法由Khatib提出，他在文献中构造了人工感应力函数。此后，人工势场法得到不断的改进与完善。目前的研究主要集中在地面机器人的路径规划问题以及对冗余机械臂末端避障路径规划的研究，而对整个机械臂(包括连杆和末端)动态避障的研究还极为有限。受到人工势场方法的启发，本发明对其进行扩展，用以对家用服务机器人的机械臂整体进行动态避障路径规划。
发明内容
本发明专利针对上述现有技术存在的不足，提供一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，本方法通过将障碍物的速度和机械臂末端的速度作为参数引入到人工势场法的斥力场构筑中，来实现机械臂的动态避障。
一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法包括以下步骤：
步骤1：利用标准D-H法对七自由度机械臂进行建模，对障碍物使用球形包围盒建模技术建立模型，初始化机械臂的工作环境和参数，确定障碍物的位置和速度；
步骤2：在规划目标点处建立一个全局引力场，在障碍物中心点处建立一定范围内作用的斥力场，当机械臂末端进入斥力场时，受到斥力作用，机械臂末端在引力和斥力的合力作用下运动。
步骤3：计算机械臂末端与障碍物中心点的距离，判断其是否在障碍物斥力场区域内，如果末端不在斥力场区域内，则末端仅在全局引力场的作用下移动到下一个位置；如果末端进入斥力场区域，则末端在引力场和斥力场共同作用下运动到下一个位置。
步骤4：根据最小阻尼二乘法和伪逆法求解机械臂当前位姿的关节角度。
步骤5：计算机械臂杆件最近点与障碍物中心点的距离，判断杆件是否进入缓冲区，如果杆件进入缓冲区，则在杆件最近处附加背离速度。
步骤6:根据附加背离速度计算得到关节角度修正值。运用机械臂正运动学模型计算得到末端下一个位姿。判断末端位姿是否到达目标位姿，如果未到达目标位姿，则循环步骤3至步骤5，直到末端位姿到达目标位姿。
步骤7：输出机械臂的关节轨迹数据，控制机械臂根据此轨迹进行伺服运动。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，通过将障碍物的速度和机械臂末端的速度作为参数引入到人工势场法的斥力场构筑中，来实现机械臂的动态避障。考虑到家用服务机器人在复杂家庭环境下的实际使用需求，应用该动态避障方法能够很大程度上提高机器人的安全性和实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的7自由度机械臂模型及坐标系示意图；
图3为本发明实施例提供的机械臂末端在改进人工势场法中的受力示意图；
图4为本发明实施例提供的机械臂杆件附加背离速度示意图；
图5为本发明实施例提供的动态避障仿真初始环境示意图，其中机械臂模型通过交错连接的圆柱表示，箭头表示各障碍物的运动方向；
图6为本发明实施例提供的动态避障机械臂末端轨迹示意图，其中(a)为传统人工势场法，(b)为本发明中提出的改进人工势场法；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例中，一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：利用标准D-H法对七自由度机械臂进行建模，对障碍物使用球形包围盒建模技术建立模型，初始化机械臂的工作环境和参数，确定障碍物的位置和速度；
本实施例中，首先建立的七自由度机械臂模型如图2所示，每个关节都是旋转关节，绕Z轴旋转，其中，(X0，Y0，Z0)是基坐标系，(X7，Y7，Z7)是机械臂末端坐标系。机械臂的D-H参数如表1所示，使用D-H参数就可以完成坐标变换过程：
(1)将Zi-1轴绕Xi坐标轴旋转αi角度，使Zi-1轴与Zi轴平行或者重合；
(2)沿Xi坐标轴移动ai距离，使i-1坐标系原点与i坐标系原点重合；
(3)将Xi-1轴绕Zi坐标轴旋转θi角度，使Xi-1轴与Xi轴平行或者重合；
(4)沿Zi坐标轴移动di距离，使i-1坐标系与i坐标系完全重合。
根据上述变换可将坐标系i-1完全变换到坐标系i，如下公式(1)所示：
进一步解算公式(1)得到公式(2)：
分别计算机械臂各个连杆的变化矩阵，将所有的变换矩阵连乘就得到机械臂正运动学模型，即坐标系{n}相对于坐标系{0}的变换矩阵，如公式(3)所示：
表1机械臂D-H参数
步骤2：在规划目标点处建立一个全局引力场，在障碍物中心点处建立一定范围内作用的斥力场，当机械臂末端进入斥力场时，受到斥力作用，机械臂末端在引力和斥力的合力作用下运动，其受力示意图如图3所示。
引力场的势函数表达式为：
其中，X＝(x，y，z)T，表示机械臂末端的三维位置；Xg＝(xg，yg，zg)T，表示目标点的位置坐标；ρ(X，Xg)表示机械臂末端与目标点的距离；Uatt为引力势能；katt为势能的增益系数，用于调节引力场的势能大小。
机械臂末端在引力场中受到引力的作用，而引力则是引力势能梯度下降最快的方向，即引力势能函数对末端与目标点距离的导数，可以对上式求导得到：
其中，Fatt为末端在引力场中收到的引力，
表示对势力场的求导。
受到的斥力分为两个部分，第一部分为位置斥力，其函数表达式为：
第二部分的斥力为速度斥力，其函数表达式为：
总斥力为：
Frep＝Fpos+Fvel (8)
其中，Frep为机械臂末端受到总的排斥力，Fpos表示由于末端与障碍物之间距离产生的排斥力，Fvel表示由于末端与障碍物之间的速度差产生的排斥力；Pobj表示障碍物(即斥力源)的位置，Ptool表示机械臂末端的位置，||PobjPtool||表示障碍物与末端的距离，kpos表示排斥力的位置力系数，ρ0表示基于位置的斥力场半径；Vobj表示障碍物的速度，Vtool表示机械臂末端当前速度，kvel表示排斥力的速度力系数，ρv表示基于速度的斥力场半径。
总合力的表达式：
Fres＝Frep+Fatt (9)
其中，Fres为机械臂末端收到的总合力。
步骤3：计算机械臂末端与障碍物中心点的距离，判断其是否在障碍物斥力场区域内，如果末端不在斥力场区域内，则末端仅在全局引力场的作用下移动到下一个位置；如果末端进入斥力场区域，则末端在引力场和斥力场共同作用下运动到下一个位置。
步骤4：根据最小阻尼二乘法和伪逆法求解机械臂当前位姿的关节角度，其求解表达式为：
其中，
为机械臂的关节角速度；
为机械臂的广义速度；J表示机械臂末端的速度雅可比矩阵，JT表示J的转置矩阵；I为单位矩阵；λ为阻尼系数，其表达式如下所示：
其中，λ0代表最大阻尼系数，σ0为机械臂最小临界奇异值，σm为机械臂的最小奇异值。
步骤5：计算机械臂杆件最近点与障碍物中心点的距离，判断杆件是否进入缓冲区，如果杆件进入缓冲区，则在杆件最近处附加背离速度，如图4所示，背离速度的方向从障碍物中心点指向杆件离障碍物最近处，大小如下：
其中，
为附加背离速度，J0为施加点的雅可比矩阵，
为关节处的角速度。
步骤6：根据附加背离速度计算得到关节角度修正值。运用机械臂正运动学模型计算得到末端下一个位姿。判断末端位姿是否到达目标位姿，如果未到达目标位姿，则循环步骤3至步骤5，直到末端位姿到达目标位姿。
判断末端位姿是否到达目标位姿的条件为：
|Xtool-Xgoal|+|Ytool-Ygoal|+|Ztool-Zgoal|＜σ (13)
|Θtool-Θgoal|+|Ψtool-Ψgoal|+|Φtool-Φgoal|＜ξ (14)
其中，|Xtool-Xgoal|、|Ytool-Ygoal|和|Ztool-Zgoal|分别表示机械臂末端与目标点在X轴、Y轴和Z轴方向上位置的绝对误差值；|Θtool-Θgoal|、|Ψtool-Ψgoal|和|Φtool-Φgoal|分别表示机械臂末端与目标点在X轴、Y轴和Z轴方向上姿态角的绝对误差值；σ和ξ分别为位置误差和姿态角误差的允许值。
步骤7：输出机械臂的关节轨迹数据，控制机械臂根据此轨迹进行伺服运动。
本实施例还给出了如图5所示初始条件的仿真试验，初始参数如表2所示。仿真结果如图6所示，图6(a)为本发明提出的规划方法得到的机械臂末端轨迹，可以看到轨迹很好的避开了三个动态障碍物并最终到达了目标点；图6(b)为传统人工势场法得到的末端轨迹，可以看到其并不能在动态障碍物环境中到达目标点，轨迹呈现散乱状态。
表2仿真初始参数
本实施例的仿真结果很好得验证了本发明对传统人工势场法在动态障碍物环境下的改进效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用标准D-H法对七自由度机械臂进行建模，对障碍物使用球形包围盒建模技术建立模型，初始化机械臂的工作环境和参数，确定障碍物的位置和速度；
步骤2：在规划目标点处建立一个全局引力场，在障碍物中心点处建立一定范围内作用的斥力场，当机械臂末端进入斥力场时，受到斥力作用，机械臂末端在引力和斥力的合力作用下运动；其特征在于：所述的斥力场包括两个部分，第一部分为位置斥力，其函数表达式为：
第二部分的斥力为速度斥力，其函数表达式为：
总斥力为：
Frep＝Fpos+Fvel
其中，Frep为机械臂末端受到总的排斥力，Fpos表示由于末端与障碍物之间距离产生的排斥力，Fvel表示由于末端与障碍物之间的速度差产生的排斥力；Pobj表示障碍物的位置，Ptool表示机械臂末端的位置，PobjPtool代表由位置点Pobj指向位置点Ptool的位置向量,||PobjPtool||表示障碍物与末端的距离；||Vgoal-Vtool||代表速度向量Vgoal与速度向量Vtool之差的模长，kpos表示排斥力的位置力系数，ρ0表示基于位置的斥力场半径；Vobj表示障碍物的速度，Vtool表示机械臂末端当前速度，kvel表示排斥力的速度力系数，ρv表示基于速度的斥力场半径；
步骤3：计算机械臂末端与障碍物中心点的距离，判断其是否在障碍物斥力场区域内，如果末端不在斥力场区域内，则末端仅在全局引力场的作用下移动到下一个位置；如果末端进入斥力场区域，则末端在引力场和斥力场共同作用下运动到下一个位置；
步骤4：根据最小阻尼二乘法和伪逆法求解机械臂当前位姿的关节角度；
步骤5：计算机械臂杆件最近点与障碍物中心点的距离，判断杆件是否进入缓冲区，如果杆件进入缓冲区，则在杆件最近处附加背离速度；
步骤6：根据附加背离速度计算得到关节角度修正值，运用机械臂正运动学模型计算得到末端下一个位姿，判断末端位姿是否到达目标位姿，如果未到达目标位姿，则循环步骤3至步骤5，直到末端位姿到达目标位姿；
步骤7：输出机械臂的关节轨迹数据，控制机械臂根据此轨迹进行伺服运动。
2.根据权利要求1所述的一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，其特征在于：步骤5所述的附加背离速度法，背离速度的方向从障碍物中心点指向杆件离障碍物最近处，大小如下：
其中，
为附加背离速度，J0为施加点的雅可比矩阵，
为关节处的角速度。
3.根据权利要求1所述的一种家用服务机器人的机械臂动态避障运动规划方法，其特征在于：步骤6所述的判断末端位姿是否到达目标位姿的条件为：
|Xtool-Xgoal|+|Ytool-Ygoal|+|Ztool-Zgoal|＜σ
|Θtool-Θgoal|+|Ψtool-Ψgoal|+|Φtool-Φgoal|＜ξ
其中，|Xtool-Xgoal|、|Ytool-Ygoal|和|Ztool-Zgoal|分别表示机械臂末端与目标点在X轴、Y轴和Z轴方向上位置的绝对误差值；|Θtool-Θgoal|、|Ψtool-Ψgoal|和|Φtool-Φgoal|分别表示机械臂末端与目标点在X轴、Y轴和Z轴方向上姿态角的绝对误差值；σ和ξ分别为位置误差和姿态角误差的允许值。
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