CN115990877B - 空间机械臂的多目标作业序列规划方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法、装置及电子设备。该方法包括：获取多个目标作业点的最短连续路径；基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间；将所述最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径；从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列。该方法通过将多个目标作业点的最短连续路径映射到多个重构构型空间能够参考空间机械臂的构型移动优化作业序列，降低作业能耗。

Description

空间机械臂的多目标作业序列规划方法、装置及电子设备

技术领域

本公开涉及机械臂序列规划技术领域，尤其涉及一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法、装置及电子设备。

背景技术

根据我国载人航天工程总体部署，空间机械臂作为我国空间站在轨组装与维护的核心装备，将通过多个舱段间爬行开展面向全舱段巡检、维修等任务作业。多目标任务作业及复杂时变的在轨环境使得空间机械臂轨迹规划的难度极高，亟需建立复杂时变作业条件下机械臂轨迹的自主规划与快速调整能力。目前，针对空间站机械臂的多舱段爬行、多目标任务作业的需求，综合考虑在轨环境、舱段间爬行和各类舱外作业需求实现空间机械臂的自主轨迹规划，对空间在轨服务的高效安全作业具有重大意义。同时，该技术有助于拓展应用于未来空间建造任务及复杂工业场景中，提升多机械臂协同与动态作业能力。多作业序列规划需要首先以作业间连续路径构建转移代价，在此基础上优选作业顺序。由于冗余自由度空间机械臂在固定基座-末端形式下存在多组满足作业位姿的机械臂构型，同时由于不同基座-末端形式下的构型空间障碍区域和作业区域不同带来空间机械臂可选多种基座-末端形式实施作业，给作业序列规划带来很大困难。

发明内容

本公开实施例提供了一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，该方法能够降低空间机械臂作业耗费的资源。

为此，本公开实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本公开实施例提供了一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，包括：

获取多个目标作业点的最短连续路径；

基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间；

将所述最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径；

从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列。

在一些实施例中，获取多个目标作业点的最短连续路径包括：

通过遍历的方式对所述多个目标作业点进行排序得到多个初始连续路径；

获取每个所述初始连续路径的长度值；

将所述长度值最小的初始连续路径作为最短连续路径。

在一些实施例中，获取每个所述初始连续路径，包括：

初始连续路径由中间若干个点连线构成，且搜索连续路径时避开障碍区域。

在一些实施例中，获取每个所述初始连续路径的长度值，包括：

每个所述初始连续路径的长度值可以用构成该路径的全部边的长度值相加得到。

在一些实施例中，所述空间机械臂在多个基座之间首末互换完成构型移动，基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间包括：

获取与所述最短连续路径对应的多个初始基座序列，所述空间机械臂沿所述初始基座序列首末互换能够按照所述最短连续路径抵达每个所述目标作业点；

从所述多个初始基座序列中筛选出空间机械臂完成构型移动过程中首末互换次数最少的多个初始基座序列作为目标基座序列；

基于所述空间机械臂沿每个所述目标基座序列抵达每个所述目标作业点的构型姿态生成多个重构构型空间。

在一些实施例中，将所述最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径包括：

将每个所述目标作业点映射到对应的多个重构构型空间得到多个初始目标作业点；

基于所述最短连续路径连接所述多个初始目标作业点得到多个初始作业路径。

在一些实施例中，基于所述最短连续路径连接所述多个初始作业点之前，还包括：

去除位于障碍空间的初始作业点。

在一些实施例中，从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径包括：

采用动态规划算法与旅行商问题相结合的方法获取转移代价最小的初始作业路径。

在一些实施例中，从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列包括：

沿着所述最短连续路径的终点到起点的顺序，基于空间机械臂的构型姿态和基座序列获取每个初始作业路径的转移代价；

基于所述转移代价最小的初始作业路径生成作业序列。

第二方面，本公开实施例提供了一种行人移动模式分类装置，包括：

获取模块，用于获取多个目标作业点的最短连续路径；

重构模块，用于基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间；

映射模块，用于将所述最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径；

筛选模块，用于从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列。

第三方面，本公开实施例提供了一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储程序的存储器，

其中，所述程序包括指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行根据上述任意实施例所述的方法。

本公开实施例提供的空间机械臂的多目标作业序列规划方法，通过将多个目标作业点的最短连续路径映射到多个重构构型空间能够参考空间机械臂的构型移动优化作业序列，降低作业能耗。

附图说明

图1是根据本公开一实施方式的空间机械臂的多目标作业序列规划方法的流程图。

图2是最短连续路径的示意图。

图3是目标作业点映射到多个重构构型空间的示意图。

图4是空间机械臂以不同构型姿态在笛卡尔空间中工作的分布示意图。

图5是目标基座序列的工作空间分布示意图。

图6是空间机械臂在作业空间C_free能够达到目标作业点的构型姿态示意图。

图7为排列组合与动态规划组合算法示意图。

图8是空间机械臂在构型空间到达多目标作业点的示意图。

图9是空间机械臂在笛卡尔空间中到达多目标作业点的过程示意图。

图中，

v_s、v₁、v₂、…v_d是以v_s为起点、v_d为终点的初始作业路径；s_a、s_b、s_c为3个目标作业点基座形式下的工作空间。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。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公开的概念。

本公开，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1是根据本公开一实施方式的空间机械臂的多目标作业序列规划方法的流程图。如图1所示，本公开实施例提供了一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法包括如下步骤：

S101：获取多个目标作业点的最短连续路径；

S102：基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间；

S103：将最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径；

S104：从多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列。

本公开实施例提供的空间机械臂的多目标作业序列规划方法，通过将多个目标作业点的最短连续路径映射到多个重构构型空间能够参考空间机械臂的构型移动优化作业序列，降低作业能耗。

在一些实施例中，获取多个目标作业点的最短连续路径包括：在自由空间搜索目标作业点之间的连续路径，连续路径可以由中间若干个点连接组成；通过遍历的方式对多个目标作业点进行排序得到多个初始连续路径；获取每个初始连续路径的长度值，每个初始连续路径的长度值可以用构成该路径的全部边的长度值相加得到；将长度值最小的初始连续路径作为最短连续路径。

具体地，如图2所示，自由空间中的一个初始连续路径l＝<v₀,v₁,…,v_k>的长度值为用构成该初始连续路径的全部边的长度值相加得到，即其中，w(v_i-1,v_i)为构成该初始连续路径上相邻两个点间的距离函数，w(v_i-1,v_i)＝||v_i-1-v_i||。对于自由空间C_free中以v_s为起点、v_d为终点的最短连续路径l_min(v_s，v_d)为：

在一些实施例中，空间机械臂在多个基座之间首末互换完成构型移动，基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间包括：获取与最短连续路径对应的多个初始基座序列，空间机械臂沿初始基座序列首末互换能够按照最短连续路径抵达每个目标作业点；从多个初始基座序列中筛选出空间机械臂完成构型移动过程中首末互换次数最少的多个初始基座序列作为目标基座序列；基于空间机械臂沿每个目标基座序列抵达每个目标作业点的构型姿态生成多个重构构型空间。去除位于障碍空间的初始作业点。将最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径包括：将每个目标作业点映射到对应的多个重构构型空间得到多个初始目标作业点；基于最短连续路径连接多个初始目标作业点得到多个初始作业路径。

图3是目标作业点映射到多个重构构型空间的示意图。如图3所示，目标作业点映射到构型空间具有不唯一性，具体为：空间机械臂通过首末互换在基座间爬行抵达一个目标作业点，存在多个满足作业位姿的机械臂构型，导致同一个目标作业点从笛卡尔空间映射到构型空间中会出现多个初始目标作业点，即构型空间逆运动学求解不唯一的问题；去除在障碍空间的初始目标作业点，即后续只需对作业区域的初始目标作业点进行序列规划。

图4是空间机械臂以不同构型姿态在笛卡尔空间中工作的分布示意图。如图4所示，设舱体上存在W个基座，空间机械臂可通过首末互换通过不同的基座爬行到达舱体上的相邻基座开展在轨作业任务。对于W个基座之间的切换均会引起空间机械臂构型空间的重构，则空间机械臂处于任意基座i(i＝1,2,…,W)对应可重构构型空间的一种重构状态，定义为重构构型空间ⁱC(i＝1,2,…,W)；空间机械臂可以在不止一个基座上抵达同一个目标作业点s，所以不同基座对应的重构构型空间中的作业区域存在交叠情况，即重构构型空间中作业区域选取不唯一问题。

图5是目标基座序列的工作空间分布示意图。如图5所示，对重构构型空间中作业区域的选取范围进行缩小优化，具体为：选择空间机械臂能够连续的抵达目标作业点且基座切换次数最少的初始基座序列。设目标作业点s_a,s_b,s_c分别满足

s_a∈(¹C_free∩²C_free∩⁹C_free∩¹⁰C_free)

s_b∈(¹C_free∩²C_free∩³C_free)，s_c∈(³C_free∩⁴C_free∩⁵C_free∩⁶C_free)，且机械臂初始状态的基座为1，则要使得空间机械臂能够连续的抵达目标作业点且基座切换次数最少，即选择的初始基座序列为i(i＝1,2,3)，其对应构型空间的作业区域为ⁱC_free(i＝1,2,3)，即后续只需对构型空间作业区域ⁱC_free(i＝1,2,3)的目标作业点s^I进行序列规划。

在一些实施例中，从多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径包括：采用动态规划算法与旅行商问题相结合的方法获取转移代价最小的初始作业路径。沿着最短连续路径的终点到起点的顺序，基于空间机械臂的构型姿态和基座序列获取每个初始作业路径的转移代价；基于转移代价最小的初始作业路径生成作业序列。

具体地，如图6所示，结合目标作业点映射到重构构型空间的不唯一性、不同基座对应的重构构型空间和机械臂抵达目标作业点的顺序，建立初始目标作业点间的转移代价函数，具体为：目标作业点s映射到重构构型空间得到多个初始目标作业点s^I(I＝1,2,…)，目标作业点s在重构构型空间中的多个作业区域ⁱC_free(i＝1,2,…,W)，两目标作业点s_a,s_b之间的转移路径不唯一，其中(i＝1,2,…)(I＝1,2,…)，而作业转移路径l的不唯一使得转移代价ct(l)不唯一,其中/>

基于最短连续路径，结合目标作业点s映射到构型空间的初始目标作业点s^I(I＝1,2,…)的不唯一性和目标作业点s在重构构型空间中作业区域ⁱC_free(i＝1,2,…,W)选取不唯一问题，建立两初始目标作业点间路径距离最短的转移代价函数：

式中 ^mC_a,ⁿC_b分别是目标作业点s_a,s_b所在构型空间的作业区域；ⁱC,^jC分别是初始目标作业点/>所在重构构型空间的作业区域。

基于两初始目标作业点间的最短转移代价函数建立寻求最优序列的函数，通过求解初始目标作业序列的转移代价总和的最小值，从而得到空间机械臂连续抵达多个初始目标作业点的作业点顺序最优、构型姿态最优和基座最优，即转移代价最优的作业序列，具体为：对空间机械臂的作业点顺序S＝{s₁,s₂,…,s_g}、空间机械臂构型姿态和基座i对应的重构构型空间C＝{¹C,²C,…,ⁱC}进行优化，即构建函数：

式中f(Ct)表示作业序列的转移代价总和。

如图7、8所示，在一些实施例中，求转移代价最小的作业序列，具体为：对目标作业点进行排序得到六种初始连续路径S＝{S₁,S₂,L,S₆},其中S₁＝{s₁,s₂,s₃}所对应的初始连续路径为S₁＝{s_a,s_b,s_c}，将目标作业点S_a映射到对应的重构构型空间得到将S_b映射到到对应的重构构型空间得到/>将S_c映射到到对应的重构构型空间得到/>沿着所述最短连续路径的终点到起点的顺序，从目标作业点s_b到目标作业点s_c有六条由初始目标作业点组成的路径，分别可计算每条路径的转移代价函数对于下一个阶段，从目标作业点s_b到目标作业点s_a有12条由初始目标作业点组成的路径，则

再对其它作业点顺序{S₂,…,S₆}，分别求得{F_S2,F_S3,F_S4,F_S5,F_S6}，则F_route＝min{F_S1，F_S2,…，F_S6}，通过MATLAB计算可以求得最小转移代价F_route。如图7所示，作业序列为/>其中最优的目标作业点排序为S_op＝{s_b,s_a,s_c}，空间机械臂的最优构型姿态为/>及对应最优的重构构型空间C_op＝{¹C,²C,³C}；最小的转移代价为F_ro_ute。

应当理解的是，本公开的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本公开的原理，而不构成对本公开的限制。因此，在不偏离本公开的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。此外，本公开所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，其特征在于，包括：

获取多个目标作业点的最短连续路径；

基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间；

将所述最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径；

从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列；

其中，基于最短连续路径，结合目标作业点s映射到构型空间的初始目标作业点s^I(^I＝1,2,…)的不唯一性和目标作业点s在重构构型空间中作业区域i_Cfree(i＝1,2,…,W)选取不唯一问题，建立两初始目标作业点间路径距离最短的转移代价函数：

，式中/> ^mC_a,ⁿC_b分别是目标作业点s_a,s_b所在构型空间的作业区域；ⁱC,^jC分别是初始目标作业点/>所在重构构型空间的作业区域；

从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列包括：

沿着所述最短连续路径的终点到起点的顺序，基于空间机械臂的构型姿态和基座序列获取每个初始作业路径的转移代价；

基于所述转移代价最小的初始作业路径生成作业序列。

2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，其特征在于，获取多个目标作业点的最短连续路径包括：

通过遍历的方式对所述多个目标作业点进行排序得到多个初始连续路径；

获取每个所述初始连续路径的长度值；

将所述长度值最小的初始连续路径作为最短连续路径；

其中，初始连续路径由多个目标作业点连线构成，且所述多个目标作业点连线避开障碍空间。

3.根据权利要求2所述的一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，其特征在于，获取每个所述初始连续路径的长度值，还包括：

每个所述初始连续路径的长度值用构成该路径的全部边的长度值相加得到。

4.根据权利要求1所述的一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，其特征在于，所述空间机械臂在多个基座之间首末互换完成构型移动，基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间包括：

获取与所述最短连续路径对应的多个初始基座序列，所述空间机械臂沿所述初始基座序列首末互换能够按照所述最短连续路径抵达每个所述目标作业点；

从所述多个初始基座序列中筛选出空间机械臂完成构型移动过程中首末互换次数最少的多个初始基座序列作为目标基座序列；

基于所述空间机械臂沿每个所述目标基座序列抵达每个所述目标作业点的构型姿态生成多个重构构型空间。

5.根据权利要求4所述的一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，其特征在于，将所述最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径包括：

将每个所述目标作业点映射到对应的多个重构构型空间得到多个初始目标作业点；

基于所述最短连续路径连接所述多个初始目标作业点得到多个初始作业路径。

6.根据权利要求5所述的一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，其特征在于，基于所述最短连续路径连接所述多个初始作业点之前，还包括：

去除位于障碍空间的初始作业点。

7.根据权利要求1所述的一种空间机械臂的多目标作业序列规划方法，其特征在于，从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径包括：

采用动态规划算法与旅行商问题相结合的方法获取转移代价最小的初始作业路径。

8.一种空间机械臂的多目标作业序列规划装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取多个目标作业点的最短连续路径；

重构模块，用于基于空间机械臂的构型移动生成多个重构构型空间；

映射模块，用于将所述最短连续路径映射到多个重构构型空间得到多个初始作业路径；

筛选模块，用于从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列；

其中，基于最短连续路径，结合目标作业点s映射到构型空间的初始目标作业点s^I(^I＝1,2,…)的不唯一性和目标作业点s在重构构型空间中作业区域i_Cfree(i＝1,2,…,W)选取不唯一问题，建立两初始目标作业点间路径距离最短的转移代价函数：

，式中/> ^mC_a,ⁿC_b分别是目标作业点s_a,s_b所在构型空间的作业区域；ⁱC,^jC分别是初始目标作业点/>所在重构构型空间的作业区域；

从所述多个初始作业路径中筛选出转移代价最小的初始作业路径得到作业序列包括：

沿着所述最短连续路径的终点到起点的顺序，基于空间机械臂的构型姿态和基座序列获取每个初始作业路径的转移代价；

基于所述转移代价最小的初始作业路径生成作业序列。

9.一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储程序的存储器，

其中，所述程序包括指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法。