CN115648205A - 一种空间机械臂的连续路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间机械臂的连续路径规划方法，包括：从时变起源角度构建机械臂匹配任意基座形式下以及其它部件的构型空间，将构型空间划分为障碍区域和自由区域；在机械臂切换匹配基座时重构构型空间，建立重构前的构型空间与重构后的构型空间的联系；在各构型空间的自由区域中通过路径规划方法搜索连续路径。本发明通过从时变起源的角度实现构型空间的构建；然后将机械臂工作空间突变问题描述为自由区域下机械臂与基座匹配问题，建立重构构型空间前与重构构型空间后的联系；在此基础上，再通过路径规划方法在可重构构型空间中搜索连续路径，从而能够实现大范围、非规则时变空间下搜索连续路径。

Description

一种空间机械臂的连续路径规划方法

技术领域

本发明涉及机械臂路径规划领域，具体涉及一种空间机械臂的连续路径规划方法。

背景技术

机器人路径规划是机器人技术的热点研究方向之一。特别是近年来随着制造业智能化的发展，机器人被广泛应用于各种场景作业。机器人路径规划问题是指在有障碍物的工作环境中，如何寻找一条从给定起始点到目标点的较优的行走路径，使机器人在运动过程中能安全、无碰撞地绕过所有的障碍物且所走路径最短。近年来机械臂被广泛应用到太空，空间机械臂在太空中扮演着愈加重要的角色，空间机械臂的主要用途有：空间站舱段的转位与对接。通过机械臂可以很容易就实现舱段的分离、转位与再对接。悬停飞行器的捕获与辅助对接。使用太空机械臂就可以实现对来访飞行器的捕获，可以将这些飞行器转移到空间站上相应的停泊口或者对接口。机械臂最大的作用就是替代或者协助宇航员各种舱外工作，包括空间站外围的坚持、维修，减轻宇航员的工作量。因此，空间机械臂要求能够在大范围达到多个目标作业点。对于我国的核心舱机械臂，它通过末端执行器与目标适配器之间的对接与分离，类似于木工常用的榫卯结构，可实现舱体爬行功能，以一种类似蠕虫的运动方式移动到空间站的许多部分，进而在更大范围触达空间站各舱体外表面。对于机械臂的路径规划，目前,有人成功地运用构型空间，将机械臂的工作空间分为自由空间和障碍空间，在自由空间内利用启发式搜索算法寻找机械臂的运动路径。但是，现有技术基本都是基于固定基座下的构型空间轨迹规划方法，难以很好地适用于机械臂基座可切换的情形。基座切换会引起机械臂末端工作空间突变，因此我们要在末端工作空间突变下搜索连续路径。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间机械臂的连续路径规划方法，具体技术方案如下：

一种空间机械臂的连续路径规划方法，包括：从时变起源角度构建机械臂匹配任意基座形式下以及其它部件的构型空间，将构型空间划分为障碍区域和自由区域；在机械臂切换匹配基座时重构构型空间，建立重构前的构型空间与重构后的构型空间的联系；在各构型空间的自由区域中通过路径规划方法搜索连续路径。

可选的，构型空间的构建方法包括：采用均匀采样方法遍历机械臂和其它部件的运动空间；其中构型空间的采样点为机械臂的各关节角度和其它部件的运动状态。

可选的，自由区域的划分方法包括：采用基于有向包围盒和矩形扫掠相结合的混合层次包围盒的快速精确碰撞检测算法计算构型空间中各采样点处机械臂与舱体或其它部件的最小安全距离；其中自由区域的采样点为最小安全距离大于零。

可选的，在自由区域中通过路径规划方法搜索连续路径，包括：构建各构型空间的规划地图；设路径规划任务的起始点为V_start，在考虑冗余空间机械臂逆运动学多解性情况下，满足目标状态的目标点集合为V_goal，连通起始点和目标点集合中任意元素的路径即为可行的路径规划结；当起始点和目标点集合未处于同一构型空间的情况下，将经过一次或多次重构构型空间实现连续路径规划。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：本发明通过从时变起源的角度将其它部件统一到空间机械臂构型空间中，通过增加构型空间的空间维度描述障碍空间在时间维度上的变化，从而解决时变性问题，实现机械臂与任意基座匹配形式下构型空间的构建；然后将机械臂工作空间突变问题描述为自由区域下机械臂与基座匹配问题，建立重构构型空间前与重构构型空间后的联系；在此基础上，再通过路径规划方法在可重构构型空间中搜索连续路径，从而能够实现大范围、非规则时变空间下搜索连续路径。

附图说明

图1为本发明中机械臂和基座的结构示意图；

图2是图1中机械臂与基座匹配下的构型空间示意图；

图3为机械臂切换匹配基座及构型反序的过程示意图；

图4是对图3中机械臂切换匹配基座及构型反序时的构型空间变化示意图；

图5为机械臂通过切换匹配基座使得工作目标点在机械臂工作区域内的过程示意图；

图6是对图5中机械臂切换匹配基座及构型反序的构型空间变化示意图；

附图标记说明如下：

1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 基座

①、②、③机械臂关节

V_start 为机械臂起始点

V_goal 为目标点集合

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1-6所示：

一种空间机械臂的连续路径规划方法，包括：从时变起源角度构建机械臂匹配任意基座形式下以及其它部件的构型空间，将构型空间划分为障碍区域和自由区域；在机械臂切换匹配基座时重构构型空间，建立重构前的构型空间与重构后的构型空间的联系；在各构型空间的自由区域中通过路径规划方法搜索连续路径。本发明通过从时变起源的角度将其它部件统一到空间机械臂构型空间中，通过增加构型空间的空间维度描述障碍空间在时间维度上的变化，从而解决时变性问题，实现机械臂与任意基座匹配形式下构型空间的构建；然后将机械臂工作空间突变问题描述为自由空间下机械臂与基座匹配问题，建立重构构型空间前与重构构型空间后的联系；在此基础上，再通过路径规划方法在可重构构型空间中搜索连续路径，从而能够实现大范围、非规则时变空间下搜索连续路径。

如图1-2所示，可选实施例中，构型空间的构建方法包括：采用均匀采样方法遍历机械臂和其它部件的运动空间；其中构型空间的采样点为机械臂的各关节角度和其它部件的运动状态。具体为，设机械臂的自由度为N，舱体上存在M个活动部件和W个基座，机械臂可通过单次或多次首末互换爬行到达舱体上的任意基座开展在轨作业任务。在机械臂切换匹配基座时均会引起构型空间的重构，机械臂与匹配基座对应可重构构型空间的一种重构状态，定义为构型空间ⁱC(i＝1,2,…,W)。通过均匀采样方法遍历空间机械臂和其它部件的运动空间，则构型空间ⁱC的采样点ⁱV_j(j＝1,2,…,N)为空间机械臂的各关节角度和活动部件的运动状态，自由度数为空间机械臂和其它部件自由度数的总和，即(N+M)。

如图1-2所示，可选实施例中，自由区域的划分方法包括：采用基于有向包围盒和矩形扫掠相结合的混合层次包围盒的快速精确碰撞检测算法计算构型空间中各采样点处机械臂与舱体或其它部件的最小安全距离；其中自由区域的采样点为最小安全距离大于零。构型空间ⁱC由障碍区域ⁱC_obs和自由区域ⁱC_free构成，采样点属于自由区域ⁱC_free的判断条件是最小安全距离大于零。采用基于有向包围盒和矩形扫掠相结合的混合层次包围盒的快速精确碰撞检测算法计算构型空间中各采样点处机械臂与舱体或其它部件的最小安全距离u，有：

u(A,B)＝min{||x-y||:x∈A,y∈B}

式中，A和B分别表示两个对象的有向包围盒集，包络由三角面片构成的模型几何。设三角面片的顶点矢量为p，q，r，则有

式中，μ表示顶点矢量的均值，

C表示对称协方差矩阵且C_jk表示矩阵的第i行j列元素，它的三个特征向量归一化作为轴向，根据轴向极点确定有向包围盒大小。

如图3所示，假设机械臂当前与基座匹配一端为首端，机械臂当前工作端为末端。将满足机械臂切换匹配基座的区域定义为重构触发区域ⁱC_trig，重构触发区域ⁱC_trig可实现当前构型空间ⁱC向另一构型空间^jC的重构，则重构触发区域ⁱC_trig内的机械臂构型满足机械臂末端位姿与舱外基座的匹配关系。具体的，机械臂末端与基座匹配关系满足：

d(ⁱh,^jx)＜ε∧d(ⁱx,^jh)＜ε→True

(ⁱP-^jP)＝0→False

式中，h和x分别表示基座位姿和末端位姿；ε表示计算精度造成的微小误差，一般可取ε＜10^-6；P表示固定末端，当P＝1时表示空间机械臂末端1固定且构型正序，当P＝2时表示空间机械臂末端2固定且构型逆序；d(·,·)表示位姿距离，有

式中，a和b表示位姿，有a＝(a₁,a₂,a₃,α₁,α₂,α₃)^T和b＝(b₁,b₂,b₃,β₁,β₂,β₃)^T；p表示变参数，当p＝1表示曼哈顿距离，当p＝2表示欧式距离，当p＝∞表示切比雪夫距离。

重构触发区域ⁱC_trig和目标作业区域ⁱC_tar均处于构型空间ⁱC的自由区域ⁱC_free内，重构触发区域ⁱC_trig引发构型空间的重构，使得障碍区域ⁱC_obs、自由区域ⁱC_free及其中的目标作业区域ⁱC_tar发生突变。

如图3所示，图示机械臂构型满足末端位姿与基座的匹配关系，进行基座切换及构型反序，使得工作空间发生突变。如图4所示，是对图3中机械臂构型进行基座切换及构型反序的构型空间描述，展示了从当前构型空间³C向另一构型空间⁴C的重构，使得障碍区域、自由区域以及其中的目标作业区域发生了突变。

可选实施例中，在自由区域中通过路径规划方法搜索连续路径，包括：构建各构型空间的规划地图；设路径规划任务的起始点为V_start，在考虑冗余空间机械臂逆运动学多解性情况下，满足目标状态的目标点集合为V_goal，连通起始点和目标点集合中任意元素的路径即为可行的路径规划结果；当起始点和目标点集合未处于同一构型空间的情况下，将经过一次或多次重构构型空间来实现连续路径规划。构型空间内的路径规划可通过规划地图的构建及搜索实现。以采样点V_j为圆心、以r为半径的圆内所有采样点V_k与采样点V_j相连，保留未与障碍空间C_obs发生碰撞的边，自由空间采样点集合V和无碰撞边集合E构成规划地图G(V,E)。因此，对于任意可重构构型空间ⁱC其对应的规划地图为ⁱG(ⁱV,ⁱE)(i＝1,2,…,W)设路径规划任务的起始点为V_start，考虑冗余空间机械臂逆运动学多解性则满足目标状态的目标点集合为V_goal，连通起始点和目标点集合中任意元素的路径即为可行的路径规划结果。对于起始点和目标点集合未处于同一构型空间的情况，将经过一次或多次构型空间重构实现连续路径规划。如图5所示，机械臂正序固定在基座1时，目标点未在工作空间区域内，使机械臂通过一次首末互换爬行到基座3，即机械臂末端2固定在基座3且构型逆序，使得目标点在工作空间区域内。如图6所示，是对图5中机械臂构型进行基座切换及构型反序的构型空间描述，构型空间重构之后，使得起始点V_start和目标点集合V_goal处于同一基座-末端形式的构型空间，连通起始点V_start和目标点集合V_goal中任意元素的路径即为可行的路径规划结果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种空间机械臂的连续路径规划方法，其特征在于，包括：

从时变起源角度构建机械臂匹配任意基座形式下以及其它部件的构型空间，将所述构型空间划分为障碍区域和自由区域；

在机械臂切换匹配基座时重构所述构型空间，建立重构前的所述构型空间与重构后的所述构型空间的联系；

在各所述构型空间的所述自由区域中通过路径规划方法搜索连续路径。

2.如权利要求1所述空间机械臂的连续路径规划方法，其特征在于，所述构型空间的构建方法包括：

采用均匀采样方法遍历机械臂和其它部件的运动空间；

其中所述构型空间的采样点为机械臂的各关节角度和其它部件的运动状态。

3.如权利要求2所述空间机械臂的连续路径规划方法，其特征在于，所述自由区域的划分方法包括：

采用基于有向包围盒和矩形扫掠相结合的混合层次包围盒的快速精确碰撞检测算法计算所述构型空间中各采样点处机械臂与舱体或其它部件的最小安全距离；

其中所述自由区域的采样点为最小安全距离大于零。

4.如权利要求1所述空间机械臂的连续路径规划方法，其特征在于，所述在所述自由区域中通过路径规划方法搜索连续路径，包括：

构建各所述构型空间的规划地图；

设路径规划任务的起始点为V_start，在考虑冗余空间机械臂逆运动学多解性情况下，满足目标状态的目标点集合为V_goal，连通起始点和目标点集合中任意元素的路径即为可行的路径规划结果；

当起始点和目标点集合未处于同一构型空间的情况下，将经过一次或多次重构构型空间实现连续路径规划。

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