CN112757294A - 一种基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法 - Google Patents

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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
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Abstract

本发明涉及一种基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法，包括步骤：S1、利用作业路径起始点或者结束点对应构型的位置为起点，向工作空间均匀地发出射线，保留与工件不相交的射线作为可行搜索方向；S2、在每条可行射线上按照给定步长递增建立可达性球，表征当前构型的工作空间；S3、对可达性球进行可达无碰撞检测，获取当前采样距离的可行构型；S4、将可行构型与当前构型进行比较，选取构型距离最小者作为中转点。本发明通过确定可行搜索方向，根据不同的碰撞检测距离自动获取相应的中转点，获取速度快，节省了空走时间，提高生产效率，减少因为系统误差而发生碰撞的概率。

Description

一种基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法
技术领域
本发明涉及计算机图形学与机器人工程技术领域，尤其涉及一种基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法。
背景技术
在工业机器人仿真软件中，离线编程是一个重要的模块。现有的人工示教需要占用机器人且对操作者的技术要求高，大大降低生产效率。路径规划作为离线编程的一个重要功能，能够在不占用机器人的情况进行规划，保证了机器人连续生产，同时，路径规划算法考虑了机器人运动学的约束和机器人奇异等问题。
空走路径规划是一种点到点的无碰撞路径规划，现有的常用方法是快速随机扩展树(RRT)。在实际场景中，因为机器人系统与工件的形位误差，往往会导致空走路径发生碰撞。因此，在机器人空走路径规划过程中，通常要设定一个中转点，使机器人从作业路径缓慢退出到中转点，然后在空走阶段中快速到达另一个中转点以进入下一段作业路径。中转点的设定使得机器人的空走路径更加安全，不容易与工件发生碰撞。现阶段，中转点一般是通过人为设定的，将其设置在较为安全的构型，即与工件保持一定的安全距离，但不宜距离作业路径太远，否则机器人从作业路径到安全点所用时间太长，降低生产效率，同时增加了发生碰撞的概率。
中转点的选取与作业路径起始点或者结束点附近的工作空间有关，若能分析出工作空间的机器人灵活性、可达性、无碰撞性等性能，则可以从中得到中转点。FranziskaZacharias等人在《Capturing Robot Workspace Structure:Representing RobotCapabilities》中提出了工作空间的表征方法。其中，可达性球的构建方法为以位置为球心，球面上均匀采样，获得均匀采样点，从采样点到球心的向量作为工具坐标的Z轴，X轴与Y轴通过工具按照给定步长绕Z轴旋转得到。因此，可达性球可视化了某一个位置的可行位姿，对机器人整个工作空间离散化，分别建立可达性球，可以得到工作空间可达性能图。但是，构建一个工作空间可达性能图却需要极大的时间消耗。
因此，需要寻找一种方法，以减少构建工作空间可达性能图的时间消耗。
发明内容
为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法，通过确定可行搜索方向，根据不同的碰撞检测距离自动获取相应的中转点，获取速度快，节省了空走时间，提高生产效率，减少因为系统误差而发生碰撞的概率。
本发明采用以下技术方案来实现：一种基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法，包括以下步骤：
S1、利用作业路径起始点或者结束点对应构型的位置为起点，向工作空间均匀地发出射线，保留与工件不相交的射线作为可行搜索方向；
S2、在每条可行射线上按照给定步长递增建立可达性球，表征当前构型的工作空间；
S3、对可达性球进行可达无碰撞检测，获取当前采样距离的可行构型；
S4、将可行构型与当前构型进行比较，选取构型距离最小者作为中转点。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过确定可行搜索方向，建立可达性球并进行可达无碰撞检测，最终选取与初始构型距离最小的构型作为中转点，中转点获取速度快，节省了空走时间，提高生产效率，减少因为系统误差而发生碰撞的概率。
2、本发明基于可达性球，从作业路径起始点或者结束点开始进行工作空间的局部搜索，一旦获取中转点即可停止搜索，极大地减少了时间消耗。
3、本发明的方法可以在任意工作环境下实现，运用方便，实现性强，
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是中转点示意图；
图3是可达性球位置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法，主要包括以下步骤：
S1、利用作业路径起始点或者结束点对应构型的位置为起点，向工作空间均匀地发出射线，保留与工件不相交的射线作为可行搜索方向；
S2、在每条可行射线上按照给定步长递增建立可达性球，表征当前构型的工作空间；
S3、对可达性球进行可达无碰撞检测，获取当前采样距离的可行构型；
S4、将可行构型与当前构型进行比较，选取构型距离最小者作为中转点。
如图2所示，本实施例中，路径1、2是作业路径，路径3、4、5是空走路径；P1、P2分别是作业路径结束点和起始点，Ps1、Ps2分别是对应的中转点。机器人从作业路径1转移到作业路径2时，若直接将发生碰撞的距离设置为一个极小值，则会导致机器人空走阶段因为系统误差容易与工件发生碰撞。因此，需要设置一个中转点，使机器人在空走路径3、4时缓慢退出作业路径，此时的发生碰撞距离设置为一个极小值，而在空走路径5时将碰撞距离设置为一个较大的安全值，并且移动速度也可以设置较快，保证了安全的同时也节省了空走时间，提高生产效率，减少因为系统误差而发生碰撞的概率。
本实施例中，步骤S1中可行搜索方向的确定的具体步骤为：
S11、利用作业路径起始点或者结束点对应构型的位置Po作为球心建立球面，通过螺旋极点法获得球面上均匀的n个点Pi(i＝1,2...n)，连接Po与Pi并延长形成空间均匀射线，该射线簇为以位置Po为中心的所有搜索方向；
S12、通过OCC图形库获取工件当前位姿的所有平面Fi(i＝1,2...m)，将所有的射线
Figure BDA0002865050090000031
与工件当前位姿的所有平面Fi进行相交检测，若射线与工件任意一面相交，则舍去该射线；
S13、通过相交检测后，保留的射线簇为可行搜索方向。
具体地，如图3所示的虚射线为不可行的搜索方向，其与工件相交，实射线则为可行搜索方向。
本实施例中，步骤S2中建立可达性球的具体步骤如下：
S21、图中半径为lo的球面为第0层采样，该层内的空间与Po的距离小于lo，即小于发生碰撞的距离，因此该区域是发生碰撞的区域，不能在第0层采样，采样距离随着层数的增加而增大，在每一条可行射线
Figure BDA0002865050090000032
上按照给定步长s进行采样，采样距离具体计算如下：
l＝lo+sj(j＝1,2...k)
其中，lo为发生碰撞的最小距离，s为给定步长，j为采样层数，k为最大采样层数；
S22、采样层数越大，过渡空走路径越长，发生碰撞的可能性也就越大，因此需在最小层数内求得中转点，根据采样距离对每一层采样，可达性球的位置为：
Figure BDA0002865050090000033
其中，Pij为第i条可行射线上第j层采样得到的位置。
本实施例中，步骤S3中每进行一层采样，都对该层的可达性球进行可达性、无碰撞性、奇异性检测，保留该层所有的可行构型；若该层没有可行构型，则进入到下一层采样；当获取足够数量的可行构型时，采样结束。
本实施例中，步骤S4中对采样所得到的可行构型与作业路径起始点或者结束点对应构型进行比较，选取与位置Po处对应的构型距离最小的可行构型作为中转点，其中，构型距离的计算采用构型向量差的二范数来表达：
di＝||Ci-Co||2
其中，di为第i个可行构型Ci与作业路径起始点或者结束点对应构型Co的距离。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可达性球的机器人路径中转点搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用作业路径起始点或者结束点对应构型的位置为起点，向工作空间均匀地发出射线，保留与工件不相交的射线作为可行搜索方向；
S2、在每条可行射线上按照给定步长递增建立可达性球，表征当前构型的工作空间；
S3、对可达性球进行可达无碰撞检测，获取当前采样距离的可行构型；
S4、将可行构型与当前构型进行比较，选取构型距离最小者作为中转点。
2.根据权利要求1所述的机器人路径中转点搜索方法，其特征在于，步骤S1中可行搜索方向的确定的具体步骤为：
S11、利用作业路径起始点或者结束点对应构型的位置Po作为球心建立球面，通过螺旋极点法获得球面上均匀的n个点Pi(i＝1,2...n)，连接Po与Pi并延长形成空间均匀射线，射线簇为以位置Po为中心的所有搜索方向；
S12、通过OCC图形库获取工件当前位姿的所有平面Fi(i＝1,2...m)，将所有的射线
Figure FDA0002865050080000011
与工件当前位姿的所有平面Fi进行相交检测，若射线与工件任意一面相交，则舍去该射线；
S13、通过相交检测后，保留的射线簇为可行搜索方向。
3.根据权利要求2所述的机器人路径中转点搜索方法，其特征在于，步骤S2中建立可达性球的具体步骤如下：
S21、对每一条可行射线
Figure FDA0002865050080000012
按照给定步长s进行采样，采样距离具体计算公式如下：
l＝lo+sj(j＝1,2...k)
其中，lo为发生碰撞的最小距离，s为给定步长，j为采样层数，k为最大采样层数；
S22、根据采样距离获取可达性球的位置为：
Figure FDA0002865050080000013
其中，Pij为第i条可行射线上第j层采样得到的位置。
4.根据权利要求3所述的机器人路径中转点搜索方法，其特征在于，步骤S3中获取当前采样距离的可行构型具体为：对可达性球进行可达性、无碰撞、奇异性检测，保留所有的可行构型；若该层没有可行构型，则进入到下一层采样；当获取当前采样距离的所有可行构型时，采样结束。
5.根据权利要求4所述的机器人路径中转点搜索方法，其特征在于，步骤S4中构型距离的计算利用构型向量差的二范数来表达：
di＝||Ci-Co||2
其中，di为第i个可行构型Ci与作业路径起始点或者结束点对应构型Co的距离。
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