智能机器人路径研究资料.doc

自主的智能机器人将拥有感知、规划和控制等 0 　引 　言 高级能力 ,使它们能够收集周围环境的信息 ,构造 一个能以符号表达的环境模型 ,并通过应用程序 , 自 20 世纪 40 年代后期 ,美国橡树岭和阿尔贡 在高水平层次上规划和实现布置给它们的任务. 因 国家实验室研制出世界上第一台“主从型”机械手 此目前机器人学的研究旨在使得一个自主的智能 至今 ,机器人的研制和应用在欧美和日本等国家中 机器人系统能够更好地具备这些能力. 在这些能力 以惊人的速度发展起来 ,相应地 ,机器人的路径规 中 ,规划指的是 ,利用一个环境模型来自动地实现 划及相关算法的研究领域也因此而快速兴起. 随着 机器人的运动. 一般来说 ,在一个非常高水平的层 工业要求的日益增长 ,越来越多的自动制造系统运 次上 ,使用者指定一个具体工作任务 ,然后让机器 用了机械手和传感反馈装置 ,更重要的是 ,随着制 人系统通过程序去自动地实现它. 比如装配某种产 造自动化的飞速发展 ,未来将需要大量更自主、更 品 ,使用者指定一系列装配工序 ,然后让机器人系 智能的机器人. 统根据基本的要求来规划无碰撞运动 ,这些动作包 收稿日期:2003 - 08 - 08 作者简介:庄慧忠 ,男 ,1972 年生 ,福建福州人 ,博士研究生 ,从事机器人路径规划研究. ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.  　第 3 期 庄慧忠等. 机器人路径规划及相关算法研究 211  括抓取该产品的零部件 ,绕开工作空间中的障碍 , 传送到它们各自相应的装配位置进行装配. 在过去的 20 多年里 ,机器人运动的自动规划 技术已经有了很大的发展. 这个领域涉及到许多重 要的数学内容 , 如经典几何学、拓扑学、代数几何 学、代数学和组合学等 ,这些数学工具都已经应用 到相关的研究中. 本文综述了一些较有影响的研究 思想和方法. 首先 ,描述机器人路径规划问题以及 这一问题的分类; 然后 ,详述以几何法和拓扑法为 主的全局规划方法及其相关算法; 最后 ,阐述以人 工势场法为主的局部规划方法. 1 　路径规划问题描述 路径规划问题是机器人学中很重要的一个方 面 ,大多数国内外文献将此问题称为 Path Planning , Find2Path Problem , Collision2Free , Obstacle Avoid2 ance , Motion Planning , etc. . 路径规划的研究对象可 分为关节式机械手和移动式机器人. 一般来说 ,前 者具有更多的自由度 ,而后者的作业范围则更大一 些. 就最简单的形式 ,路径规划问题可以按如下定 义:设 B 为一机器人系统 ,这一系统共具有 k 个自 由度 ,并假设 B 在一个二维或三维空间 V 中 ,在一 组其几何性质已为该机器人系统所知的障碍物中 , 可以做无碰撞运动. 这样 ,对于 B 的路径规划问题 即为:在空间 V 中 ,给定B 的一个初始位姿 Z1 和一 个目标位姿 Z2 ,以及一组障碍物 ,寻找一条从 Z1 到 Z2 、连续的避碰最优路径 ,如果该路径存在 ,那么规 划出这样一条运动路径. 从空间描述形式来看 ,大致可以分为:1) 基于 C 空间(也称构形空间) (configuration space) 的几何 法和拓扑法;2) 基于笛卡尔直角坐标空间的人工势 场法. 前者一般称为全局方法 ,后者一般称为局部 方法. 从机器人获知环境信息的程度可分为:1) 环境 信息完全已知 ,包括障碍物的位置及其几何性质; 2) 环境信息完全未知或部分未知 ,通过传感器在线 地对机器人的工作环境进行探测 ,以获取障碍物的 位置和几何性质等信息 ,这种规划对于环境数据的 搜集和该环境模型的动态更新能够随时进行校正; 3) 环境信息中包含以某种可知或可预知的方式进 行移动的障碍物 ,这个问题要比静态问题难得多. 下面根据空间描述形式的不同 ,从全局规划和  局部规划来归纳和总结国内外学者在机器人路径 规划研究方面所做的工作. 2 　全局规划方法 全局规划方法主要是以基于 C 空间的自由空 间法等各种几何法以及拓扑法为主 ,它包括环境建 模和路径有哪些信誉好的足球投注网站两个子问题. 最初开始研究路径规划 的问题 ,主要采用基于直角坐标空间的假设和检验 方法 ,它是由 Pie