CN113276109B - 一种基于rrt算法的双机械臂解耦运动规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法及系统，包括：利用双向RRT算法分别对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，以确定每个机械臂的第一运行路径节点序列和每个节点对应的时间信息；将每个机械臂的第一运行路径节点序列根据每个节点对应的时间信息进行一一对应，并行碰撞检测，获取碰撞检测结果；当所述碰撞检测结果指示发生碰撞时，将作为主臂的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为动态障碍物，重新对作为从臂的第二机械臂进行无碰撞路径规划，以确定最终运行路径节点序列；根据第一机械臂的第一运行路径节点序列、第二机械臂的最终运行路径节点序列和每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
Description
技术领域
本发明涉及机器人运动规划技术领域，并且更具体地，涉及一种基于快速搜索随机树(Rapidly-ExploringRandom Trees，RRT)算法的双机械臂解耦运动规划方法及系统。
背景技术
1954年世界上第一台可编程机器人诞生，1959年第一台工业机器人出现，在接下来六十年的时间中机器人技术快速发展，逐渐改变着人们的生产生活方式。如今工业机器人已广泛应用于焊接、搬运、喷涂和装配生产线上。单臂机器人虽然能够完成一般的作业要求，但在技术要求较高的领域，如装配作业，救援抢险，医疗服务等领域，需要机器人可以有更好的协调与灵活性，双臂机器人具有单臂机器人所无法比拟的优势。双臂机器人搬运物体时可以形成闭环运动链，既具有并联机构的刚度与强度又有串联机构的柔性与灵活性。双臂机械手还可以完成更加复杂的任务如：插孔作业、螺栓装配等，因而其具有更高的可操作性。而运动规划方法的好坏决定了双机械臂协作过程的效率高低以及运动的精度和平稳性，影响最终能否完成预期的任务。
双机械臂运动规划算法可以分为集中式与解耦式两类。解耦式的运动规划算法通常无法保证规划的完整性和最优性，但在简单的环境中可以快速的规划出双臂的运动轨迹。
解耦规划的一种思路是基于时变C空间和无碰撞数据库，即利用规划得到的主臂运动轨迹，建立从臂的时变C空间和无碰撞数据库。在从臂的无碰撞数据库中利用搜索算法可以得到无碰撞路径。该方法在C空间维度较低时计算简单方便，但机械臂的自由度超过3时计算量巨大，不易描述障碍物在C空间中的状态。解耦规划的另一类方法则基于采样的路径规划算法如RRT、PRM算法。基于采样的运动规划方法虽然不受构型空间维度的限制，但应用于障碍物环境下的双机械臂系统运动规划时成功率很低。
发明内容
本发明提出一种基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法及系统，以解决如何快速高效地实现双机械臂解耦运动规划的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法，所述方法包括：
根据每个机械臂对应的起始构型信息和目标构型信息，利用双向快速搜索随机树RRT算法分别对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，以确定每个机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
将每个机械臂的第一运行路径节点序列根据每个节点对应的时间信息进行一一对应，并根据对应的结果进行碰撞检测，获取碰撞检测结果；
当所述碰撞检测结果指示发生碰撞时，将作为主臂的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为动态障碍物，利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划，以确定所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
根据所述第一机械臂的第一运行路径节点序列、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息、所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
优选地，其中所述方法还包括：
在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列。
优选地，其中所述方法利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列，包括：
当利用单向RRT算法规划的所述第二机械臂的第一随机树的节点数小于等于预设节点数阈值时采用单向目标偏置RRT算法进行规划，以获取第一子节点序列；
当所述第一随机树的节点数大于预设节点数阈值时，采用双向RRT算法从所述第二机械臂对应的目标构型信息对应的目标节点开始进行第二棵随机树的扩展，以获取第二子节点序列；
根据所述第一子节点序列和第二子节点序列确定当前的第二运行路径节点序列，为当前的第二运行路径节点序列中的每个节点赋予时间信息，根据当前的第二运行路径节点序列、当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点的节点信息进行碰撞检测，确定第一次发生碰撞的碰撞节点，将当前的第二运行路径节点序列中的在所述碰撞节点之后的节点去除，保留没有发生碰撞的节点；
将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中从所述碰撞节点开始的运行路径节点序列作为动态障碍物，重新进行路径规划，直至所述第二机械臂第二路径节点序列各节点与所述第一机械臂第一路径节点序列对应时刻的节点不再发生碰撞时停止，直接将当前的第二运行路径节点序列和当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息作为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
优选地，其中所述方法还包括：在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，对新增加的节点是否与障碍物发生碰撞进行检测，包括：
在所述第二机械臂产生任一个新节点qnew的过程中，实时计算所述新节点qnew距离根节点的最少节点数Nqnew，以确定所述第二机械臂运动到所述新节点qnew的路程，将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中的第Nqnew个节点对应的构型作为所述第二机械臂的障碍物，根据节点的时间信息判断所述第二机械臂的新节点是否与所述第一机械臂和环境静态障碍发生碰撞，若均未发生碰撞，则进一步判断所述新节点qnew与所述第二机械臂上最近的节点之间的连线是否与处于所述第一机械臂的第一路径节点序列中第Nqnew个节点对应位置的第一机械臂和环境静态障碍物发生碰撞，若均未发生碰撞，则确定该节点非碰撞节点，并将该节点加入到随机树中；反之，则判断所述新节点qnew为碰撞节点，重新采样qnew。
优选地，其中所述方法还包括：
当所述碰撞检测结果指示未发生碰撞时，直接根据每个机械臂的第一运行路径节点序列和第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划系统，所述系统包括：
第一路径规划单元，用于根据每个机械臂对应的起始构型信息和目标构型信息，利用双向快速搜索随机树RRT算法分别对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，以确定每个机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
碰撞检测单元，用于将每个机械臂的第一运行路径节点序列根据每个节点对应的时间信息进行一一对应，并根据对应的结果进行碰撞检测，获取碰撞检测结果；
第二路径规划单元，用于当所述碰撞检测结果指示发生碰撞时，将作为主臂的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为动态障碍物，利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划，以确定所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
规划方案确定单元，用于根据所述第一机械臂的第一运行路径节点序列、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息、所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
优选地，其中所述第二路径规划单元，还包括：
在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列。
优选地，其中所述第二路径规划单元，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列，包括：
当利用单向RRT算法规划的所述第二机械臂的第一随机树的节点数小于等于预设节点数阈值时采用单向目标偏置RRT算法进行规划，以获取第一子节点序列；
当所述第一随机树的节点数大于预设节点数阈值时，采用双向RRT算法从所述第二机械臂对应的目标构型信息对应的目标节点开始进行第二棵随机树的扩展，以获取第二子节点序列；
根据所述第一子节点序列和第二子节点序列确定当前的第二运行路径节点序列，为当前的第二运行路径节点序列中的每个节点赋予时间信息，根据当前的第二运行路径节点序列、当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点的节点信息进行碰撞检测，确定第一次发生碰撞的碰撞节点，将当前的第二运行路径节点序列中的在所述碰撞节点之后的节点去除，保留没有发生碰撞的节点；
将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中从所述碰撞节点开始的运行路径节点序列作为动态障碍物，重新进行路径规划，直至所述第二机械臂第二路径节点序列各节点与所述第一机械臂第一路径节点序列对应时刻的节点不再发生碰撞时停止，直接将当前的第二运行路径节点序列和当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息作为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
优选地，其中所述第二路径规划单元，在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，对新增加的节点是否与障碍物发生碰撞进行检测，包括：
在所述第二机械臂产生任一个新节点qnew的过程中，实时计算所述新节点qnew距离根节点的最少节点数Nqnew，以确定所述第二机械臂运动到所述新节点qnew的路程，将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中的第Nqnew个节点对应的构型作为所述第二机械臂的障碍物，根据节点的时间信息判断所述第二机械臂的新节点是否与所述第一机械臂和环境静态障碍发生碰撞，若均未发生碰撞，则进一步判断所述新节点qnew与所述第二机械臂上最近的节点之间的连线是否与处于所述第一机械臂的第一路径节点序列中第Nqnew个节点对应位置的第一机械臂和环境静态障碍物发生碰撞，若均未发生碰撞，则确定该节点非碰撞节点，并将该节点加入到随机树中；反之，则判断所述新节点qnew为碰撞节点，重新采样qnew。
优选地，其中所述规划方案确定单元，还包括：
当所述碰撞检测结果指示未发生碰撞时，直接根据每个机械臂的第一运行路径节点序列和第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
本发明提供了一种基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法及系统，将不同的RRT算法有机结合用于双机械臂的运动规划；将路程记忆的功能加入双臂拓展随机树，解决了从臂生长新节点时与主臂的构型进行碰撞检测的问题；利用动态扩展随机树的思想，当单向目标偏置RRT算法遇到瓶颈时采用双向RRT算法加速运算，并逐步向完整结果逼近，以确定规划方案，采用本发明的方法可以实现双机械臂松耦合高效无碰撞运动规划，提高采样算法在双机械臂松协调任务下进行无碰撞路径规划的成功率。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法100的流程图；
图2为根据本发明实施方式的基于混合的RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法的整体流程图；
图3为根据本发明实施方式的两个机械臂运动规划的起始构型的示意图；
图4为根据本发明实施方式的两个机械臂运动规划的目标构型的示意图；
图5为根据本发明实施方式的为路径节点赋予时间信息得到的无碰撞关节运动曲线图；
图6为根据本发明实施方式的机械臂末端执行器在笛卡尔空间的运动路径的示意图；
图7为根据本发明实施方式的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划系统700的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法，将不同的RRT算法有机结合用于双机械臂的运动规划；将路程记忆的功能加入双臂拓展随机树，解决了从臂生长新节点时与主臂的构型进行碰撞检测的问题；利用动态扩展随机树的思想，当单向目标偏置RRT算法遇到瓶颈时采用双向RRT算法加速运算，并逐步向完整结果逼近，以确定规划方案，采用本发明的方法可以实现双机械臂松耦合高效无碰撞运动规划，提高采样算法在双机械臂松协调任务下进行无碰撞路径规划的成功率。本发明实施方式提供的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法100，从步骤101处开始，在步骤101根据每个机械臂对应的起始构型信息和目标构型信息，利用双向快速搜索随机树RRT算法分别对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，以确定每个机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
结合图2所示，在本发明中，首先将两个机械臂分为主臂(robotR)与从臂(robotL)，然后利用双向RRT算法单独对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，得到每个机械臂的一系列运动路径点，并为路径点赋予时间信息，即每个机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
在步骤102，将每个机械臂的第一运行路径节点序列根据每个节点对应的时间信息进行一一对应，并根据对应的结果进行碰撞检测，获取碰撞检测结果。
优选地，其中所述方法还包括：
当所述碰撞检测结果指示未发生碰撞时，直接根据每个机械臂的第一运行路径节点序列和第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
由于RRT算法规划得到的路径是由一系列等步长的节点及其连线组成，假设两个机械臂以相同的速度匀速的经过每一个节点，则每两个节点之间的时间间隔也相同。因此，在本发明中，可以将两个机械臂的路径节点序列根据时间顺序一一对应起来，逐个进行碰撞检测，获取碰撞结果。若整个运动期间未发生碰撞，则表示规划成功；反之，则表示规划失败，并将主臂的路径作为动态障碍物重新规划从臂的路径。
在步骤103，当所述碰撞检测结果指示发生碰撞时，将作为主臂的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为动态障碍物，利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划，以确定所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
优选地，其中所述方法还包括：
在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列。
优选地，其中所述方法利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列，包括：
当利用单向RRT算法规划的所述第二机械臂的第一随机树的节点数小于等于预设节点数阈值时采用单向目标偏置RRT算法进行规划，以获取第一子节点序列；
当所述第一随机树的节点数大于预设节点数阈值时，采用双向RRT算法从所述第二机械臂对应的目标构型信息对应的目标节点开始进行第二棵随机树的扩展，以获取第二子节点序列；
根据所述第一子节点序列和第二子节点序列确定当前的第二运行路径节点序列，为当前的第二运行路径节点序列中的每个节点赋予时间信息，根据当前的第二运行路径节点序列、当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点的节点信息进行碰撞检测，确定第一次发生碰撞的碰撞节点，将当前的第二运行路径节点序列中的在所述碰撞节点之后的节点去除，保留没有发生碰撞的节点；
将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中从所述碰撞节点开始的运行路径节点序列作为动态障碍物，重新进行路径规划，直至所述第二机械臂第二路径节点序列各节点与所述第一机械臂第一路径节点序列对应时刻的节点不再发生碰撞时停止，直接将当前的第二运行路径节点序列和当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息作为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
优选地，其中所述方法还包括：在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，对新增加的节点是否与障碍物发生碰撞进行检测，包括：
在所述第二机械臂产生任一个新节点qnew的过程中，实时计算所述新节点qnew距离根节点的最少节点数Nqnew，以确定所述第二机械臂运动到所述新节点qnew的路程，将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中的第Nqnew个节点对应的构型作为所述第二机械臂的障碍物，根据节点的时间信息判断所述第二机械臂的新节点是否与所述第一机械臂和环境静态障碍发生碰撞，若均未发生碰撞，则进一步判断所述新节点qnew与所述第二机械臂上最近的节点之间的连线是否与处于所述第一机械臂的第一路径节点序列中第Nqnew个节点对应位置的第一机械臂和环境静态障碍物发生碰撞，若均未发生碰撞，则确定该节点非碰撞节点，并将该节点加入到随机树中；反之，则判断所述新节点qnew为碰撞节点，重新采样qnew。
结合图2所示，在本发明中，当两机械臂发生碰撞时，将作为主臂(robotR)的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为从臂(robotL)的动态障碍物，重新进行作为从臂的第二机械臂的路径规划。
由于主臂相对于从臂是动态障碍物，双向RRT算法不再适用，因此，此时需要解决从臂在生长节点时新节点与主臂哪一时刻的构型进行碰撞检测的问题，针对这个问题本发明采用带有路程记忆的拓展随机树来解决。在从臂产生新节点qnew的过程中，通过实时计算新节点距离根节点的最少节点数Nqnew，来表示机械臂运动到当前新节点的路程。因为两机械臂的运动速度相同且节点之间的步长也相同，只需将主机械臂路径上第Nqnew个节点对应的构型作为从臂的障碍物。判断从臂的新节点是否与主臂、环境障碍发生碰撞，若未发生碰撞进一步判断新节点与从臂上最近点之间的连线是否与处于所述第一机械臂的第一路径节点序列中第Nqnew个节点对应位置的主臂和环境障碍物发生碰撞。由此实现对从臂新路径节点qnew的碰撞检验。在本发明中，每个节点对应一个机械臂的状态，每个节点可以看做是一个向量，向量中的每个元素对应机械臂的一个关节的角度，所有每一个节点确定了一组机械臂的关节角度，也就确定对应了一个机械臂的状态。此处的碰撞检测是为了确定新增加的节点是否与障碍物发生碰撞，只有不与障碍物发生碰撞的节点才有可能加入随机树中。
另外，通过路程记忆的方法虽然可以实现将主臂的运动轨迹映射到从臂轨迹，但因为对应关系是按照时间的先后进行映射的，且从臂的路径节点数目无法实现预知，这就导致了从臂进行重新规划是只能使用单向目标偏置RRT算法，其计算时间长、成功率低。为了提高计算效率。
因此，本发明结合了动态扩展随机树的思想。在进行重新规划时，首先设置一个节点数阈值，当利用单向RRT算法规划的所述第二机械臂的第一随机树的节点数小于等于所述节点数阈值时继续采用单向目标偏置RRT算法进行规划，当所述第一随机树的节点数大于预设节点数阈值时，为了快速结束此次计算，采用双向RRT算法从所述第二机械臂对应的目标构型信息对应的目标节点开始进行第二棵随机树的扩展，以获取第二子节点序列。根据所述第一子节点序列和第二子节点序列确定当前的第二运行路径节点序列。
然后，由于第二棵随机树只能与环境静态障碍物进行碰撞检测，因此从臂虽然可以快速的完成计算但无法保证两机械臂之间不发生碰撞。为了解决此问题，为规划得到的从臂当前的第二运行路径节点序列中的节点赋予时间信息，并与主臂的第一运行路径节点序列进行碰撞检测，找到第一次发生碰撞的节点作为碰撞节点，将当前的第二运行路径节点序列中在此节点之后的节点去除，保留没有发生碰撞的路径。此处的碰撞检测是对两条路径中的节点根据时间信息一一对应进行碰撞检测，碰撞检测的目的是发现第一次碰撞发生的节点和时间。
最后，根据中断的碰撞节点，将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中从所述碰撞节点开始的运行路径节点序列作为动态障碍物，重新进行路径规划，直至从臂所有的路径节点与主臂对应时刻的节点不再发生碰撞为止，前的第二运行路径节点序列和当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息确定所述第二机械臂的第二运行路径节点序列和所述第二运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
在步骤104，根据所述第一机械臂的第一运行路径节点序列、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息、所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
在本发明中，实验所采用的两个机械臂为同构性的6自由度拟人机械臂，机械臂运动规划的起始构型和目标构型分别如图3和图4所示。由于单向RRT算法计算效率慢，在障碍物较密集时算法可能会被困在局部空间中消耗大量的计算资源甚至耗尽尝试次数。为了解决这一问题，实验中设置节点数量的阈值为500，当tree1的节点数大于阈值时从目标点开始生长tree2进行双向RRT规划，tree2的生长只考虑与环境障碍的碰撞，不考虑双臂之间的碰撞。实验结果显示单向目标偏置RRT算法进行了大量计算之后仍无法找到路径，当开始进行双向RRT算法之后tree1和tree2很快的连接起来找到了路径。
由于tree2生长的过程中没有进行双臂间的碰撞检测，因此最终得到的轨迹有可能会发生双臂碰撞，所以需要对得到的轨迹进行碰撞检测，如果发生碰撞则从碰撞发生的节点开始重复上述生长过程直到路径不再发生碰撞为止。为路径节点赋予时间信息得到的无碰撞关节运动曲线如图5所示。利用机械臂的正运动学方程将各个时刻的关节角度映射到笛卡尔空间，得到机械臂末端执行器在笛卡尔空间的运动路径如图6所示。
在MATLAB机器人工具箱中进行的仿真验证了混合RRT可以有效地完成双臂路径规划的快速高效性。
图7为根据本发明实施方式的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划系统700的结构示意图。如图7所示，本发明实施方式提供的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划系统700，包括：第一路径规划单元701、碰撞检测单元702、第二路径规划单元703和规划方案确定单元704。
优选地，所述第一路径规划单元701，用于根据每个机械臂对应的起始构型信息和目标构型信息，利用双向快速搜索随机树RRT算法分别对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，以确定每个机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
优选地，所述碰撞检测单元702，用于将每个机械臂的第一运行路径节点序列根据每个节点对应的时间信息进行一一对应，并根据对应的结果进行碰撞检测，获取碰撞检测结果。
优选地，所述第二路径规划单元703，用于当所述碰撞检测结果指示发生碰撞时，将作为主臂的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为动态障碍物，利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划，以确定所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
优选地，其中所述第二路径规划单元703，还包括：
在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列。
优选地，其中所述第二路径规划单元703，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列，包括：
当利用单向RRT算法规划的所述第二机械臂的第一随机树的节点数小于等于预设节点数阈值时采用单向目标偏置RRT算法进行规划，以获取第一子节点序列；
当所述第一随机树的节点数大于预设节点数阈值时，采用双向RRT算法从所述第二机械臂对应的目标构型信息对应的目标节点开始进行第二棵随机树的扩展，以获取第二子节点序列；
根据所述第一子节点序列和第二子节点序列确定当前的第二运行路径节点序列，为当前的第二运行路径节点序列中的每个节点赋予时间信息，根据当前的第二运行路径节点序列、当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点的节点信息进行碰撞检测，确定第一次发生碰撞的碰撞节点，将当前的第二运行路径节点序列中的在所述碰撞节点之后的节点去除，保留没有发生碰撞的节点；
将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中从所述碰撞节点开始的运行路径节点序列作为动态障碍物，重新进行路径规划，直至所述第二机械臂第二路径节点序列各节点与所述第一机械臂第一路径节点序列对应时刻的节点不再发生碰撞时停止，直接将当前的第二运行路径节点序列和当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息作为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息。
优选地，其中所述第二路径规划单元703，在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，对新增加的节点是否与障碍物发生碰撞进行检测，包括：
在所述第二机械臂产生任一个新节点qnew的过程中，实时计算所述新节点qnew距离根节点的最少节点数Nqnew，以确定所述第二机械臂运动到所述新节点qnew的路程，将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中的第Nqnew个节点对应的构型作为所述第二机械臂的障碍物，根据节点的时间信息判断所述第二机械臂的新节点是否与所述第一机械臂和环境静态障碍发生碰撞，若均未发生碰撞，则进一步判断所述新节点qnew与所述第二机械臂上最近的节点之间的连线是否与处于所述第一机械臂的第一路径节点序列中第Nqnew个节点对应位置的第一机械臂和环境静态障碍物发生碰撞，若均未发生碰撞，则确定该节点非碰撞节点，并将该节点加入到随机树中；反之，则判断所述新节点qnew为碰撞节点，重新采样qnew。
优选地，所述规划方案确定单元704，用于根据所述第一机械臂的第一运行路径节点序列、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息、所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
优选地，其中所述规划方案确定单元704，还包括：
当所述碰撞检测结果指示未发生碰撞时，直接根据每个机械臂的第一运行路径节点序列和第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
本发明的实施例的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划系统700与本发明的另一个实施例的基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划方法，其特征在于，所述方法包括：
根据每个机械臂对应的起始构型信息和目标构型信息，利用双向快速搜索随机树RRT算法分别对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，以确定每个机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
将每个机械臂的第一运行路径节点序列根据每个节点对应的时间信息进行一一对应，并根据对应的结果进行碰撞检测，获取碰撞检测结果；
当所述碰撞检测结果指示发生碰撞时，将作为主臂的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为动态障碍物，利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划，以确定所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
根据所述第一机械臂的第一运行路径节点序列、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息、所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案；
其中，所述方法还包括：
在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列；
其中，所述方法利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列，包括：
当利用单向RRT算法规划的所述第二机械臂的第一随机树的节点数小于等于预设节点数阈值时采用单向目标偏置RRT算法进行规划，以获取第一子节点序列；
当所述第一随机树的节点数大于预设节点数阈值时，采用双向RRT算法从所述第二机械臂对应的目标构型信息对应的目标节点开始进行第二棵随机树的扩展，以获取第二子节点序列；
根据所述第一子节点序列和第二子节点序列确定当前的第二运行路径节点序列，为当前的第二运行路径节点序列中的每个节点赋予时间信息，根据当前的第二运行路径节点序列、当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点的节点信息进行碰撞检测，确定第一次发生碰撞的碰撞节点，将当前的第二运行路径节点序列中的在所述碰撞节点之后的节点去除，保留没有发生碰撞的节点；
将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中从所述碰撞节点开始的运行路径节点序列作为动态障碍物，重新进行路径规划，直至所述第二机械臂第二路径节点序列各节点与所述第一机械臂第一路径节点序列对应时刻的节点不再发生碰撞时停止，直接将当前的第二运行路径节点序列和当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息作为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
其中，所述方法还包括：在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，对新增加的节点是否与障碍物发生碰撞进行检测，包括：
在所述第二机械臂产生任一个新节点qnew的过程中，实时计算所述新节点qnew距离根节点的最少节点数Nqnew，以确定所述第二机械臂运动到所述新节点qnew的路程，将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中的第Nqnew个节点对应的构型作为所述第二机械臂的障碍物，根据节点的时间信息判断所述第二机械臂的新节点是否与所述第一机械臂和环境静态障碍发生碰撞，若均未发生碰撞，则进一步判断所述新节点qnew与所述第二机械臂上最近的节点之间的连线是否与处于所述第一机械臂的第一路径节点序列中第Nqnew个节点对应位置的第一机械臂和环境静态障碍物发生碰撞，若均未发生碰撞，则确定该节点非碰撞节点，并将该节点加入到随机树中；反之，则判断所述新节点qnew为碰撞节点，重新采样qnew。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述碰撞检测结果指示未发生碰撞时，直接根据每个机械臂的第一运行路径节点序列和第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案。
3.一种基于RRT算法的双机械臂解耦运动规划系统，其特征在于，所述系统包括：
第一路径规划单元，用于根据每个机械臂对应的起始构型信息和目标构型信息，利用双向快速搜索随机树RRT算法分别对每个机械臂进行针对环境静态障碍物的无碰撞路径规划，以确定每个机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
碰撞检测单元，用于将每个机械臂的第一运行路径节点序列根据每个节点对应的时间信息进行一一对应，并根据对应的结果进行碰撞检测，获取碰撞检测结果；
第二路径规划单元，用于当所述碰撞检测结果指示发生碰撞时，将作为主臂的第一机械臂的第一运行路径节点序列作为动态障碍物，利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划，以确定所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
规划方案确定单元，用于根据所述第一机械臂的第一运行路径节点序列、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息、所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息确定双机械臂解耦运动规划方案；
其中，所述第二路径规划单元，还包括：
在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列；
其中，所述第二路径规划单元，利用动态扩展随机树的思想，在当单向RRT算法遇到瓶颈时，采用双向RRT算法进行加速运算，通过迭代的方式计算第二机械臂的第二路径节点序列，直到第二机械臂的第二路径节点序列不与第一机械臂的第一路径节点序列发生碰撞时，确定当前的第二路径节点序列为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列，包括：
当利用单向RRT算法规划的所述第二机械臂的第一随机树的节点数小于等于预设节点数阈值时采用单向目标偏置RRT算法进行规划，以获取第一子节点序列；
当所述第一随机树的节点数大于预设节点数阈值时，采用双向RRT算法从所述第二机械臂对应的目标构型信息对应的目标节点开始进行第二棵随机树的扩展，以获取第二子节点序列；
根据所述第一子节点序列和第二子节点序列确定当前的第二运行路径节点序列，为当前的第二运行路径节点序列中的每个节点赋予时间信息，根据当前的第二运行路径节点序列、当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息、所述第一机械臂的第一运行路径节点序列和所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中每个节点的节点信息进行碰撞检测，确定第一次发生碰撞的碰撞节点，将当前的第二运行路径节点序列中的在所述碰撞节点之后的节点去除，保留没有发生碰撞的节点；
将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中从所述碰撞节点开始的运行路径节点序列作为动态障碍物，重新进行路径规划，直至所述第二机械臂第二路径节点序列各节点与所述第一机械臂第一路径节点序列对应时刻的节点不再发生碰撞时停止，直接将当前的第二运行路径节点序列和当前的第二运行路径节点序列中每个节点的时间信息作为所述第二机械臂的最终运行路径节点序列和所述最终运行路径节点序列中每个节点对应的时间信息；
其中，所述第二路径规划单元，在利用单向RRT算法和双向RRT算法重新对作为从臂的第二机械臂进行针对动态障碍物的无碰撞路径规划时，对新增加的节点是否与障碍物发生碰撞进行检测，包括：
在所述第二机械臂产生任一个新节点qnew的过程中，实时计算所述新节点qnew距离根节点的最少节点数Nqnew，以确定所述第二机械臂运动到所述新节点qnew的路程，将所述第一机械臂的第一运行路径节点序列中的第Nqnew个节点对应的构型作为所述第二机械臂的障碍物，根据节点的时间信息判断所述第二机械臂的新节点是否与所述第一机械臂和环境静态障碍发生碰撞，若均未发生碰撞，则进一步判断所述新节点qnew与所述第二机械臂上最近的节点之间的连线是否与处于所述第一机械臂的第一路径节点序列中第Nqnew个节点对应位置的第一机械臂和环境静态障碍物发生碰撞，若均未发生碰撞，则确定该节点非碰撞节点，并将该节点加入到随机树中；反之，则判断所述新节点qnew为碰撞节点，重新采样qnew。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述规划方案确定单元，还包括：
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