基于三維環(huán)境模型的啟發(fā)式路徑規(guī)劃算法
陳宏鈞，陳偉，田豐
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，黑龍江哈爾濱15000）
摘 要：針對多自由度機器人手臂在未知環(huán)境中實時連障的問題，提出了一種基于環(huán)境信息的連桿機器人買時路徑規(guī)劃方法。采用笛卡爾空間內(nèi)的障礙物檢測信息建立了障礙物的空間模型，并依據(jù)該模型設(shè)計一種基于啟發(fā)式規(guī)則的機器人路徑規(guī)劃算法。該算法不斷猜測和修正路徑，通過模糊推理得到下一位姿點，通過曲線擬舍得到到達(dá)該位姿點的路徑：在mallab下利用機器人工具箱建五了puma560型機器人的運動學(xué)模型，并在運動空間設(shè)置障礙物，對該算法進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果說明所提出的路徑規(guī)劃算法可以在較短時間內(nèi)完成避障運動，具有較好的實時性，同時運動關(guān)節(jié)的角度變化曲線比較平滑，運動中沖擊力較小，這些特點使其便于在實際工程中使用
關(guān)鍵詞：機器人；路徑規(guī)劃；環(huán)境模型；啟發(fā)算法
中圖分類號：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼ia
1、引 言
機器人路徑規(guī)劃是根據(jù)要達(dá)到的目標(biāo)姿態(tài)及周圍障礙物信息，控制機器人避開障礙物達(dá)到目標(biāo)姿態(tài)。路徑規(guī)劃主要包括全局規(guī)劃和局部規(guī)劃兩類方法。全局規(guī)劃是在w e．howden提出的柵格法�；A(chǔ)上發(fā)展起來，此方法要知道完整的環(huán)境信息，應(yīng)用范圍有限。局部路徑規(guī)劃包括障礙物模型映射到結(jié)構(gòu)空間的c-space方法和建立人工勢場2種方法。但它們都存在一定的問題，由latombe首先提出的c-space方法隨著關(guān)節(jié)連桿個數(shù)的增加復(fù)雜度成幾何級數(shù)上升，vladimir lumelskv將該理論應(yīng)用于多自由度機器人puma560，并取得很好的控制效果，但仍存在關(guān)節(jié)個數(shù)增加后控制算法極度復(fù)雜的問題。由khatib提出的人工勢場計算量小，實時性好且產(chǎn)生的路徑比較平滑，但會陷入局部平衡點而停止運動�，F(xiàn)代機器人路徑規(guī)劃思想集中于對智能控制方法的研究，尤其是基于模糊控制規(guī)則的路徑規(guī)劃越來越受到重視，陸續(xù)提出了直接基于傳感器信息和環(huán)境模型的路徑規(guī)劃思想，但是問題在于隨著障礙物數(shù)量和關(guān)節(jié)個數(shù)的增加，出現(xiàn)模糊決策規(guī)則爆炸的問題。
本文討論了一種基于環(huán)境信息的實時路徑規(guī)劃方法，根據(jù)傳感器獲得的環(huán)境信息在三維空間中直接建立障礙物模型，并應(yīng)用啟發(fā)式的算法，即采用基于模糊決策的猜測修正式的控制規(guī)則，在含有多個障礙物的路徑規(guī)劃問題上，有較好效果。
2機器人運動系統(tǒng)的描述
1)機械臂連桿的描述本文采用由denavit和方面的教學(xué)與科研工作hartenberg提出的通用d-h方法，用一個4×4階的齊次變換矩陣描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系。機械臂連桿，如圖1所示。
定義如下4個參數(shù)：
將各連桿變換ii-1t（i=1，2，…，n）相乘得到：
式中，ont為操作臂變換矩陣，表示末端連桿坐標(biāo)系{n}相對于基坐標(biāo)系的描述。
基于變換矩陣，再根據(jù)各個關(guān)節(jié)位置傳感器的輸出，得到各個關(guān)節(jié)變量qi(i=l，2，…，n)的值，即可求出ont。
2) puma560杌器人運動學(xué)模型根據(jù)前述內(nèi)容，可建立unimat/on公司的六自由度轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)操作臂puma560的運動學(xué)模型。機械臂結(jié)構(gòu)此處不再給出，連桿參數(shù)，見表1。
經(jīng)過計算可求出機械臂主要的運動學(xué)方程如式(3)所示。它說明如何計算機器人坐標(biāo)系{3}相對于坐標(biāo)系{0}的位姿。
式中，c5為cosθ5的縮寫；s5為siriθ5的縮寫等。
進(jìn)一步應(yīng)用matlab的機器人工具箱，可建立puma560機器人的運動學(xué)模型，如圖2所示。 |
