改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的機(jī)械臂避障路徑規(guī)劃

文/范學(xué)慧　李?lèi)?ài)民　安淑女

在機(jī)械臂的避障路徑上的路徑規(guī)劃問(wèn)題是指在一個(gè)有障礙物的路徑里，機(jī)器臂在各種工作運(yùn)行中不管是開(kāi)始狀態(tài)還是結(jié)束狀態(tài)都從始至終沒(méi)有與障礙物發(fā)生碰撞或膜材的運(yùn)動(dòng)軌跡策劃。大多數(shù)機(jī)械臂策劃軌跡的方法一般是以插補(bǔ)為形式的，機(jī)器臂的典型軌跡規(guī)劃方法包括人工勢(shì)場(chǎng)法，網(wǎng)格法以及各種算法.本文在虛擬空間附近添加障礙物的某一位置的最小值， 使用由虛擬斥力的潛力引起的虛擬障礙將手臂從當(dāng)?shù)刈钚?wèn)題移開(kāi)避開(kāi)障礙物最終達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。

1　機(jī)械臂的具體規(guī)劃

1.1　機(jī)械臂的路徑規(guī)劃

機(jī)械臂的規(guī)劃在原來(lái)大多數(shù)是以機(jī)械臂的最尾端在一個(gè)全方位的空間位置進(jìn)行調(diào)試。然后由調(diào)試的各方位結(jié)果以及機(jī)械臂的每個(gè)可運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍。這種傳統(tǒng)的方法在某種意義上來(lái)講只適用于一部分比較特別的機(jī)械臂，就是通過(guò)尾部的運(yùn)動(dòng)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)得到各關(guān)節(jié)角值的閉合解。然而，由于多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的種種特點(diǎn)，就算可以用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行分析，也因?yàn)橛?jì)算量太過(guò)龐大從而導(dǎo)致連續(xù)角與其他角度的值不契合甚至得不到計(jì)算量，在手臂運(yùn)動(dòng)不結(jié)束的情況下，關(guān)節(jié)角反解不連續(xù)從而產(chǎn)生許多無(wú)法解決的新問(wèn)題。這種特殊的機(jī)械臂在本文中并不存在。它不能用解析法求解機(jī)械手的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，很難實(shí)現(xiàn)避障路徑規(guī)劃。如果目的明確障礙物也清晰的這種環(huán)境下，本文采用了一些新的方法如遺傳算數(shù)法來(lái)得到一組公共值，所以當(dāng)公共值組合時(shí)，我們可以同時(shí)達(dá)到最終目標(biāo)，機(jī)械手、機(jī)械臂從遙遠(yuǎn)的空間障礙物中實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的逆解。在獲得一組合理的關(guān)節(jié)值后，提出了機(jī)器人手臂在關(guān)節(jié)空間的路徑規(guī)劃，保證機(jī)器人手臂同時(shí)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)并到達(dá)目標(biāo)的情況下避開(kāi)障礙物。本文對(duì)人工勢(shì)場(chǎng)控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了改進(jìn)。有排斥力在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)途中使得機(jī)械臂勢(shì)能下降為目標(biāo)控制運(yùn)動(dòng)。

1.2　機(jī)械臂建模規(guī)劃

機(jī)械臂在空間方法和其它方法中很難獲得障礙的精確位置故而障礙域建模多為不規(guī)則的幾何形狀的三維障礙為主。在空間域的障礙，利用建模的邊與角和各個(gè)比較特殊的位置來(lái)確定，多面體障礙域，可以通過(guò)把障礙物投影到一個(gè)表面來(lái)完成實(shí)現(xiàn)，這種方法會(huì)使得各個(gè)不規(guī)則的幾何障礙物的邊角過(guò)多使得想要確定太過(guò)困難，龐大的計(jì)算量來(lái)確定障礙物容易妨礙整個(gè)策劃的過(guò)程，對(duì)于時(shí)間的需求非常龐大，對(duì)于時(shí)效性而言并不推薦。這里采用了障礙物的包裹從而得到規(guī)則的近似模型來(lái)實(shí)現(xiàn)建模從而對(duì)時(shí)效性加以滿(mǎn)足，雖然對(duì)障礙域的建模不如前者精細(xì)但是大大的提高了效率，對(duì)于安全而言也加以保障，所以對(duì)障礙物的規(guī)劃采用這種包絡(luò)模擬的建模非常實(shí)用。

2　改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的機(jī)械臂路徑規(guī)劃

2.1　機(jī)械臂搜索空間

機(jī)械臂并不像是那種全方位機(jī)械可以容易向四面八方自主移動(dòng)不受空間限制。機(jī)械臂由于自身的種種特點(diǎn)以及多個(gè)關(guān)節(jié)，只要有一個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)生改變對(duì)于整體的改變就會(huì)變動(dòng)更大從而導(dǎo)致位置不固定性。如果是傳統(tǒng)的方法為思想，就必須對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的大量的計(jì)算，通過(guò)大量的計(jì)算從而得到機(jī)械臂將要位移到的位置。對(duì)于空間坐標(biāo)而言想要在各方面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)就要采用到逆運(yùn)動(dòng)在對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變位置，對(duì)于各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值可以使得機(jī)械臂能大量高頻率地做出逆運(yùn)動(dòng)的各種演算，計(jì)算量大不說(shuō)而且容易對(duì)兩個(gè)相鄰的關(guān)節(jié)點(diǎn)得不到角度值，這種情況在實(shí)際操作中無(wú)論如何也不能出現(xiàn)。要根據(jù)各個(gè)情況各個(gè)關(guān)節(jié)，來(lái)取得準(zhǔn)確的組合值來(lái)達(dá)到各個(gè)組合勢(shì)能的精確。在合適的時(shí)機(jī)來(lái)用最準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)組成來(lái)成為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的下一個(gè)目標(biāo)。

2.2　以關(guān)節(jié)空間作為搜索空間有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)

（1）在關(guān)節(jié)空間內(nèi)搜索做出的運(yùn)動(dòng)必然是連續(xù)的所以得不到奇異點(diǎn)。

（2）關(guān)節(jié)空間能得到的解在實(shí)際中必然可以達(dá)到。

（3）在關(guān)節(jié)空間中搜索難度大大降低，相比于世界坐標(biāo)中搜索更加簡(jiǎn)便。

2.3　引力勢(shì)函數(shù)與斥力勢(shì)函數(shù)的性質(zhì)

（1）引力函數(shù)實(shí)用性廣，無(wú)論什么情況下引力函數(shù)在空間的各個(gè)角落都是有效的，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境變換而受到限制；斥力函數(shù)盡在特定環(huán)境下才會(huì)有效。

（2）機(jī)械手的關(guān)節(jié)角與目標(biāo)角之間的差異可以得到機(jī)械臂的重力勢(shì)能；從機(jī)械臂與障礙物之間的距離可以計(jì)算出機(jī)械手的斥力勢(shì)能。

（3）對(duì)于引力而言必須為零以上或?yàn)榱?；在這點(diǎn)上斥力與引力一樣都是大于等于零；當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)時(shí)不管是斥力還是引力這時(shí)必須為零。在機(jī)械臂停止時(shí)，倘若發(fā)生斥力引力都不為零的情況，則說(shuō)明這時(shí)的機(jī)械臂未達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)只是在途中停止斥力引力無(wú)限接近于零。

2.4　機(jī)械臂避障模型

自由度高的機(jī)械臂是由機(jī)械臂的重要關(guān)節(jié)帶動(dòng)中間部分從而達(dá)到整支機(jī)械臂遠(yuǎn)動(dòng)通過(guò)四面八方旋轉(zhuǎn)的方式使機(jī)械臂的自由度大大提高。遙控與自動(dòng)相結(jié)合的機(jī)械臂控制手段一般用在排爆方面這使得排爆任務(wù)更加易于操作。通過(guò)某一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)全方位的旋轉(zhuǎn)來(lái)使機(jī)械臂和目標(biāo)點(diǎn)處于一個(gè)位面，隨后如果要使機(jī)械臂達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的位置就要有其他關(guān)節(jié)來(lái)旋轉(zhuǎn)。隨后的這個(gè)操作要通過(guò)多節(jié)點(diǎn)的改變而實(shí)現(xiàn)，如果障礙物真實(shí)存在，那么整個(gè)過(guò)程就會(huì)由于操作量過(guò)大而耽擱，若果因此而改變機(jī)械臂的模式，使之成為全自動(dòng)，那么整個(gè)機(jī)械臂遇到的各種問(wèn)題，不論是計(jì)算還是各個(gè)層面，都無(wú)法做到真正的精確。所以把機(jī)械臂的，之后過(guò)程做成自動(dòng)之前過(guò)程由人為來(lái)操控。

3　結(jié)論

想要在關(guān)節(jié)空間做出改良需要從人工層面出發(fā)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制方法可以通過(guò)引力勢(shì)的最大下降勢(shì)和機(jī)械手的排斥勢(shì)作為關(guān)節(jié)空間的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決。 這種方式方法可以很成功的來(lái)進(jìn)行比較單一的避障路徑的處理。 這種方案對(duì)角度的運(yùn)算和在關(guān)節(jié)空間內(nèi)的進(jìn)行有很強(qiáng)的針對(duì)性。 這種方法也存在著明顯的缺點(diǎn)是只能通過(guò)其他方法獲得一系列合理的關(guān)節(jié)角度解來(lái)解決，才能對(duì)避障展開(kāi)規(guī)劃。我們要以更開(kāi)闊的思維和邏輯來(lái)對(duì)此方法進(jìn)行延伸努力，以此達(dá)到對(duì)其他方式方法的依賴(lài)性降低，從而成為一個(gè)更為新穎的方案。