帶電搶修作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模型構(gòu)建

周軍偉 沈海江 李文飛 霍凱龍 莫建中

摘要：帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題，實(shí)際上就是機(jī)器人的雙臂協(xié)調(diào)控制問題。當(dāng)機(jī)器人雙臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如何有效防止雙臂避碰是一個(gè)必須考慮的問題。本文為防止帶電搶修作業(yè)機(jī)器人雙機(jī)械臂在作業(yè)過程中可能發(fā)生的碰撞，在c空間法的基礎(chǔ)上，研究帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的雙臂避碰路徑規(guī)劃問題，進(jìn)而提出一種改進(jìn)的A*搜索算法的雙臂避碰的協(xié)調(diào)控制方法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法可有效實(shí)現(xiàn)帶電搶修作業(yè)機(jī)器人雙臂避碰協(xié)調(diào)控制。

關(guān)鍵詞：帶電搶修作業(yè)機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)控制;雙臂協(xié)調(diào)控制

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0098-05

機(jī)器人的避障路徑規(guī)劃，即為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)尋找一條從從始至終不經(jīng)過任何障礙的路徑。這條路徑需滿足機(jī)器人或機(jī)器人的機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中，各關(guān)節(jié)不與空間內(nèi)的任何障礙物，包括機(jī)器人自身雙臂之間發(fā)生碰撞。機(jī)器人避障作為協(xié)調(diào)控制的一部分，一直以來是機(jī)器人控制研究的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。如何防止雙臂的碰撞，很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如部分學(xué)者將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)放到笛卡爾空間坐標(biāo)系中，并通過空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式來研究機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng);部分學(xué)者則基于笛卡爾空間，提出了A*搜索算法等在內(nèi)的機(jī)械臂協(xié)調(diào)控制方法。本研究認(rèn)為，解決機(jī)器人的避障路徑規(guī)劃問題，就能解決機(jī)器人雙臂的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。對(duì)此，本文在c空間法和改進(jìn)的A*搜索算法的基礎(chǔ)上，通過對(duì)機(jī)器人的機(jī)械臂雙臂碰撞進(jìn)行檢測(cè)分析，并提出一種避障路徑搜索方法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障的最優(yōu)規(guī)劃。最后在MATLAB中完成了仿真和分析，驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。

1基本方法

1.1 C空間法

c空間法是機(jī)械臂避障常見的一種路徑規(guī)劃方法。它將機(jī)械臂的實(shí)際避障問題，轉(zhuǎn)化為在無障礙區(qū)域內(nèi)尋找起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的路徑問題。本研究中，以帶電搶修作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角為變量，建立c空間，并設(shè)定障礙物空間和自由空間。其中，障礙物空間是障礙物在C空間區(qū)域投射，自由空間是除障礙物空間之外的其余空間，空間內(nèi)的每一個(gè)點(diǎn)表示機(jī)械臂的一個(gè)特定位置。通過建立c空間法，并從自由空間中找到一條不經(jīng)過任何障礙的路徑，就可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)工作帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂無碰撞路徑。值得注意是，由于C空間的維數(shù)高，計(jì)算量較大，因此在進(jìn)行多自由度的機(jī)械臂建模和搜索時(shí)，應(yīng)盡量減少計(jì)算量。

1.2改進(jìn)的A*搜索算法

A*搜索算法是常見的路徑搜索方法，常用于搜索最短路徑，具有靈活多變的特陛。為了使搜索結(jié)果更加符合最優(yōu)路徑，本研究對(duì)A*搜索算法進(jìn)行了改進(jìn)，并利用改進(jìn)的A*搜索算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂無障礙路徑的搜索。具體原理是在原有A*搜索算法的搜索路徑的基礎(chǔ)上，增加了多個(gè)待選點(diǎn)，搜索路徑也從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)一條搜索路徑變?yōu)閺钠鹗键c(diǎn)到待選點(diǎn)和從待選點(diǎn)到終點(diǎn)多條路徑。搜索過程可用圖1表示。

圖1模擬了一個(gè)帶電搶修作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的空間狀態(tài)。圖中，A表示搜索路徑的起始點(diǎn)，H表示搜索路徑的目標(biāo)點(diǎn)，B、C、D、E、F、G表示待選點(diǎn)。待選點(diǎn)內(nèi)的f、g、h分別表示f（n）、g（n）、h（n），數(shù)字它們對(duì)應(yīng)的值。n表示待選點(diǎn)，f（n）表示估價(jià)函數(shù)，g（n）表示第n個(gè)待選點(diǎn)的實(shí)際代價(jià)，h（n）表示第n個(gè)待選點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最佳路徑。三者的關(guān)系為：

f（n）=g（n）+h（n）（1）

2機(jī)械臂雙臂碰撞檢測(cè)

帶電搶修作業(yè)機(jī)器人雙臂無碰撞問題，實(shí)際上就是無碰撞軌跡規(guī)劃問題。因此本研究對(duì)帶電機(jī)器人機(jī)械雙臂碰撞的檢測(cè)分析，轉(zhuǎn)化為無碰撞軌跡研究檢測(cè)。同時(shí)在研究中，通常設(shè)定甲臂在整個(gè)規(guī)劃路徑中的任意時(shí)刻的位置都是已知的，因此，只需要用C空間對(duì)乙臂的路徑進(jìn)行研究。為使研究過程通俗易懂，本研究將帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂的每條連桿簡(jiǎn)化為一條線段。如圖2所示，當(dāng)兩只機(jī)械臂發(fā)生碰撞時(shí)，連桿的兩條線段相交，即線段AB和cD相交，即線段AB的兩個(gè)端點(diǎn)A、B位于線段cD的兩側(cè)，或者位于CD線段上。

由圖6可知。機(jī)器人雙臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)。乙臂仍然可以避開甲臂運(yùn)動(dòng)所形成的障礙物，實(shí)現(xiàn)了從起始點(diǎn)s到目標(biāo)點(diǎn)G的無碰撞過程。

通過仿真實(shí)驗(yàn)，我們可以得出結(jié)論，在不發(fā)生碰撞的情況下，本研究設(shè)計(jì)的甲臂和乙臂的路徑規(guī)劃算法切實(shí)有效。

5結(jié)語

帶電搶修作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模型構(gòu)建問題，實(shí)際上就是帶電搶修作業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制問題。本文采用c空間法和改進(jìn)的A*搜索算法對(duì)機(jī)器人的雙臂避障路徑進(jìn)行規(guī)劃，提出來一種協(xié)調(diào)機(jī)器人雙臂免碰撞的控制方法。最后，通過實(shí)驗(yàn)仿真證明了該方法的可行性。實(shí)驗(yàn)證明，該方法在帶電搶修作業(yè)機(jī)器人的實(shí)際工作中避碰切實(shí)有效。