基于改进PRM的采摘机器人机械臂避障路径规划

针对采摘机器人机械臂在不确定的环境中进行采摘作业的要求,提出了一种基于改进概率地图(PRM)算法的机械臂避障路径规划方法。将机械臂工作空间分割成离散单元集合,通过遍历的方法,获得机械臂工作空间中任意离散单元与机械臂有撞位姿之间的映射关系。将空间障碍物分割成离散单元,并通过索引映射关系获得与障碍物有撞的所有机械臂位姿信息,并以此建立关节构形空间。通过PRM算法在关节构形空间中快速搜索机械臂避障路径。仿真结果表明:相比传统PRM算法,改进算法速度提高22. 2%,能够有效地实现机械臂无碰撞路径规划。     

基于人工势场一遗传算法的机械避障方法研究

人工势场法是机器人避障规划中常用的方法,具有简单、实时性强的特点,但其存在目标不可达和局部极小值问题;文中针对机械臂的避障问题,首先利用人工势场法确定机械臂末端的避障轨迹,使用改进的斥力场克服势场法的目标不可达问题,利用随机逃离和沿等势线逃离相结合的方法解决局部极小值问题;其次针对机械臂末端避障轨迹中的每个点,采用遗传算法计算其对应的机械臂逆运动学解,在确保杆件不发生碰撞的情况下,充分保持关节角变化的柔顺性;仿真结果表明算法能够有效地实现机械臂的避障规划.     

基于遗传算法的机械臂实时避障路径规划研究

针对模块化机械臂在运行时可能与工作空间中的障碍物发生碰撞的问题, 提出一种基于遗传算法的避障路径规划算法。首先采用D-H(Denavit-Hartenberg)表示法对机械臂进行建模, 并进行运动学和动力学分析, 建立机械臂运动学和动力学方程。在此基础上, 利用遗传算法分别在单/多个障碍物工作环境中, 以运动的时间、移动的空间距离和轨迹长度作为优化指标, 实现机械臂避障路径规划的优化。通过仿真验证了基于遗传算法的机械臂避障路径规划算法的有效性与可行性, 该算法提高了运行中的机械臂有效避开工作空间中障碍物的效率。     

基于头部碰撞等效模型的柔性关节机械臂安全构型优化

为了提高柔性关节机械臂的头部碰撞安全性,提出基于机械臂安全指数和梯度投影法的柔性关节机械臂构型优化方法,并给出安全碰撞方向和安全构型的确定方法.首先建立柔性关节机械臂的头部碰撞等效模型,模型充分考虑了机械臂关节柔性的影响.然后分别给出固定构型下安全碰撞方向的确定方法和固定碰撞方向下安全构型的确定方法.基于机械臂安全指数,采用梯度投影算法实现了冗余柔性关节机械臂连续路径的构型优化.最后,建立闭环仿真系统,分别通过平面3自由度机械臂和空间7自由度机械臂验证了采用梯度投影法降低机械臂安全指数的有效性.2种仿真结果显示,优化后的机械臂安全指数分别降低了83.86%和26.42%.     

一种冗余机械臂的多运动障碍物避障算法

冗余机械臂的避障问题一直是工业机器人应用领域的研究热点之一;为了改进传统避障算法的不足,提出了一种多运动障碍物的避障算法;该算法利用各障碍物的运动状态得到与机械臂之间的最小预测距离,并将其利用雅可比转置矩阵转化为机械臂对应杆件上的躲避速度,再将躲避速度引入梯度投影法中求得机械臂的关节角速度,并通过积分得到避障运动中机械臂的关节角度值,在完成末端轨迹跟踪的同时实现冗余机械臂的实时避障;利用一款七自由度冗余机械臂对该算法进行了仿真验证,结果表明该算法能有效实现冗余机械臂对多运动障碍物的避障。     

基于改进势场法的机械臂动态避障规划

本文针对刚性机械臂提出了一种基于改进势场法的动态避障规划算法.势场产生只作用于机械臂末端的引力和作用于机械臂与障碍物最近点的排斥力,并依据动力学定律分别产生吸引速度和排斥速度.本文直接在笛卡尔空间中构造基于目标速度的吸引速度,使机械臂能够追踪动态目标;构造方向依据障碍物速度变化的排斥速度,使机械臂连杆也具备避开动态障碍的能力.最终两种速度在机械臂关节空间合成,为机械臂规划一条无碰路径并控制机械臂追踪动态目标.仿真结果证明了该方法的有效性.     

具有双插补避障功能的七关节机械臂控制系统研究

具有更多自由度的七关节机械臂在保证末端运动位姿的前提下,可实现更好的避障轨迹设计,但是给控制系统研发带来很大难题。针对此问题,首先从传统的冗余机械臂运动控制算法出发,建立基于梯度投影法的逆运动学方程;然后,针对其不足,结合六关节机械臂的解析解方法,提出了一种新的既可以避免机械臂腕部碰撞,又可以对机械臂上指定点运动位姿进行监测的双插补算法,实现了具有主动避障与碰撞监测的实时运动控制算法。最后,搭建了七关节机械臂和与之配套的软硬件控制平台,开发了实时的三维仿真软件,并通过实验验证了所提算法的正确性与有效性。     

移动在线水质监测平台动态避障方法

针对移动水质监测平台在自主导航中遇到移动障碍物的问题,提出了一种将障碍物运动状态预测模型结合速度避障碰撞模型的动态避障新方法。首先,通过移动水质监测平台上的超声波测距模块和图像采集模块测量移动水质监测平台与障碍物的距离和相对方位角,采用坐标系转换的方法计算出障碍物速度和运动方向;其次,利用极大似然估计法建立障碍物运动状态预测模型,通过该模型得到下一个采样时刻障碍物速度和运动方向范围;最后,利用速度避障的碰撞模型,计算出下一时刻的移动水质监测平台的航向角。实验结果证明,所提的避障方法能够规划出一条更为真实的较优路径。与无障碍物运动状态预测模型的避障方法相比,该避障方法能提高动态避障的成功率。     

改进人工势场的手术机器人位姿规划

运动避障与路径规划是手术机器人自动化手术中重要的技术环节,为机器人手术提供了良好的术中安全性及准确性.本研究针对上述两关键技术,提出改进人工势场的手术机器人位姿规划算法,首先,通过对引力函数进行改进,在不求取运动学逆解的情况下,能够准确驱动机械臂到达指定位姿;接着,利用快速凸包算法将障碍物凸体化,通过Gilbert Johnson Keerthi (GJK)算法计算障碍物与机械臂连杆等效圆柱面之间的最近距离,使避障距离更加准确;然后,通过自适应步长,使机械臂运动更加平稳快速;最后,引入动态引力常数,使机械臂具有逃离局部极小值的能力.实验结果表明,本研究能够让机器人在避障情况下平稳快速到达规划位姿,并在陷入局部极小值时逃逸,为未来医疗机器人在自动化手术方面提供了新思路.     

单臂式空间机械臂捕捉空间目标问题研究

以空间机械臂系统的动量守恒关系式为基础,对空间机械臂抓取空间目标过程中的碰撞问题进行了分析,提出了“直臂抓取”与“广义直臂抓取”概念,详细推导了满足基座质心、系统质心及工作端点共线的机械臂构型,得到了碰撞力方向矢量与基座、系统质心重合的角度关系式．满足关系式的空间机械臂构型可有效的减少碰撞力对于系统角动量的影响,进而避免混合体控制问题的关节限制与力矩限制．通过仿真验证了方法的有效性．     

Trajectory Planning with Collision Avoidance for Redundant Robots Using Jacobian and Artificial Potential Field-based Real-time Inverse Kinematics

This study proposes an algorithm for combining the Jacobian-based numerical approach with a modified potential field to solve real-time inverse kinematics and path planning problems for redundant robots in unknown environments. With an increase in the degree of freedom (DOF) of the manipulator, however, the problems in realtime inverse kinematics become more difficult to solve. Although the analytical and geometrical inverse kinematics approach can obtain the exact solution, it is considerably difficult to solve as the DOF increases, and it necessitates recalculations whenever the robot arm DOF or Denavit-Hartenberg (D-H) parameters change. In contrast, the numerical method, particularly the Jacobian-based numerical method, can easily solve inverse kinematics irrespective of the aforementioned changes including those in the robot shape. The latter method, however, is not employed in path planning for collision avoidance, and it presents real-time calculation problems. This study accordingly proposes the Jacobian-based numerical approach with a modified potential field method that can realize real-time calculations of inverse kinematics and path planning with collision avoidance irrespective of whether the case is redundant or non-redundant. To achieve this goal, the use of a judgment matrix is proposed for obstacle condition identification based on the obstacle boundary definition; an approach for avoiding the local minimum is also proposed. After the obstacle avoidance path is generated, a trajectory plan that follows the path and avoids the obstacle is designed. Finally, the proposed method is evaluated by implementing a motion planning simulation of a 7-DOF manipulator, and an experiment is performed on a 7-DOF real robot.

     

Path tracking control of Lagrange systems with obstacle avoidance

This paper addresses a path tracking problem with obstacle avoidance for Lagrange systems. The proposed method is based on field potential methods in combination with navigation functions for obstacle avoidance. First, it is shown that a simple combination of the navigation function with the conventional path tracking controller does not work. Therefore, in order to cope with this problem, a new feedback law is proposed for a path parameter which characterizes the reference path. It is proved that the proposed controller achieves both path following and collision avoidance. Moreover, since the method adopts bounded navigation functions, the proposed controllers generate bounded input signals even when target systems approach obstacles. Finally, an experimental evaluation is performed with a two-link manipulator to illustrate the effectiveness of the proposed method.     

基于PS-RRT算法的机械臂避障路径规划

针对应用快速搜索随机树（RRT）算法进行机械臂路径规划时,存在采样区域大、有效区域小、路径冗余节点多、剪枝时间长等问题,提出一种基于分区动态采样策略和重复区域节点拒绝机制的高效RRT路径规划算法PS-RRT（partitioned sampling RRT）。首先,通过PS-RRT快速规划机械臂末端初始路径;其次,分段检测机械臂跟随该路径时的连杆碰撞情况,对碰撞路段进行带臂形约束的第二次规划;最后,将初始路径和第二次规划的路径拼接后进行路径裁剪。将所提方法在多种场景中进行仿真验证,结果表明：基于PS-RRT算法的机械臂避障路径规划策略使得无效节点数大幅减少,可高效规划出机械臂的无碰路径,验证了算法的可行性。     

基于双层模糊逻辑的多机器人路径规划与避碰

针对无通信情况下的多机器人系统在未知动态环境下的路径规划问题,设计了基于双层模糊逻辑的多机器人路径规划与动态避碰系统。方向模糊控制器充分考虑了障碍物的距离信息和目标的角度信息,转化为机器人与障碍物的碰撞可能性,从而输出转向角度实现机器人的动态避障;速度模糊控制器将障碍物的距离信息作为输入,将速度因子作为输出,提高了多机器人路径规划与动态避碰系统的效率和鲁棒性。在Pioneer3-DX机器人实体上验证了该系统的可行性。     

基于解析法和遗传算法的机械手运动学逆解

研究优化机械手轨迹规划问题,机械手运动时要具有稳定性避障性能。针对平面3自由度冗余机械手优化控制问题,建立机械手的结构模型。提出用解析法和遗传算法相结合满足具有计算量小和适应性强的特点。在给定机械手末端执行器的运动轨迹,按着机械手冗余自由度,运动轨迹上每个点对应的关节角有无穷多个解。而通过算法可以找到一组最优的关节角,可得到优化机械手运动过程中柔顺性和避障点。仿真结果表明,该算法可以快速收敛到全局最优解,可用于计算冗余机械手运动学逆解,并可实现机器人的轨迹规划和避障优化控制。     

An efficient local approach for the path generation of robot manipulators

In this article an efficient local approach for the path generation of robot manipulators is presented. The approach is based on formulating a simple nonlinear programming problem. This problem is considered as a minimization of energy with given robot kinematics and subject to the robot requirements and a singularities avoidance constraint. From this formulation a closed form solution is derived which has the properties that allows to pursue both singularities and obstacle avoidance simultaneously; and that it can incorporate global information. These properties enable the accomplishment of the important task that while a specified trajectory in the operational space can be closely followed, also a desired joint configuration can be attained accurately at a given time. Although the proposed approach is primarily developed for redundant manipulators, its application to nonredundant manipulators is examplified by considering a particular commercial manipulator.     

基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划研究

无人机在进行山地航测时,经常遭遇鸟类等动态障碍,若不能及时规避掉障碍,极容易发生坠机事故。为此,研究一种基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划方法。基于山地环境模型,结合飞行路径长度、路径平滑度建立一个综合目标函数并利用改进布谷鸟搜索算法求解,得到无人机山地航测的初始路径。对图像进行预处理后,识别无人机初始路径飞行过程中遇到的障碍物,并通过超声波测量无人机与障碍物之间的距离,以此建立速度障碍模型,实现速度障碍碰撞分析,通过滚动窗口的方式确定无人机与障碍物是否存在飞行冲突。基于滚动速度障碍避障方法实现滚动角度避障和速度避障,获取最终的优化路径,完成基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划。测试结果表明:航测避障路径长度为571.45m,平滑度为165.52,规划的方案更具合理性。     

A path planning algorithm for industrial robots

Instead of using the tedious process of robot teaching, an off-line path planning algorithm has been developed for industrial robots to improve their accuracy and efficiency. Collision avoidance is the primary concept to achieve such goal. By use of the distance maps, the inspection of obstacle collision is completed and transformed to the configuration space in terms of the robot joint angles. On this configuration map, the relation between the obstacles and the robot arms is obvious. By checking the interference conditions, the collision points are indicated with marks and collected into the database. The path planning is obtained based on the assigned marked number of the passable region via wave expansion method. Depth-first search method is another approach to obtain minimum sequences to pass through. The proposed algorithm is experimented on a 6-DOF industrial robot. From the simulation results, not only the algorithm can achieve the goal of collision avoidance, but also save the manipulation steps.     

基于Leader-Follower的分队队形控制寻径算法研究

在战场环境中,战术分队的队形在面对复杂静态或动态障碍物难以较好地保持,针对此问题,提出了基于Leader-Follower算法的改进队形控制方法。在Leader寻径阶段,通过在战场导航网格中应用两阶段路径搜索方法,先使用A*算法寻找由三角形通道和可利用地物组成的路径,再使用改进的Funnel算法在考虑队形规模的约束条件下对路径作平滑处理。在Follower跟随阶段中,通过采用morphing技术,产生在复杂障碍约束下平滑的中间约束队形序列,并结合提出的队形弹簧模型,局部修正并控制Follower每一时刻的速度。为解决面对动态障碍的避碰问题,基于相对速度障碍法,并加入速度协同控制,避免队形在避碰过程中失效。最后通过实验表明了该方法的有效性。