基于构型选优决策的冗余度机器人避障研究-JournalofSystems.PDF

第37卷 第9期 北 京 工 业 大 学 学 报 V01．37 No．9 2011年 9月 JOURNALOFBEIJING UNIVERSITY OFTECHNOLOGY Sept．2011 基于构型选优决策的冗余度机器人避障研究 赵 京，刘先灿 ，刘 宇 (北京工业大学 机械工程与应用 电子技术学院，北京 100124) 摘 要：为了使冗余度机器人在障碍物环境下更好地完成末端操作任务，首先提出了一种新的基于构型选优决 策的避障策略，它在保证避障和完成末端任务的同时使机器人的综合性能指标更优，然后利用 3R一2P机器人的 仿真及实验研究证明了所提方法的可行性． 关键词 ：冗余度机器人；构型选优决策；避障 中图分类号 ：TP242 文献标志码 ：A 文章编号 ：0254—0037(2011)09—1292—06 冗余度机器人具有多余的自由度来改善运动学和动力学特性，如躲避障碍物、避免奇异性 、增加灵 活性、具有容错性 等，因此在实际应用和理论研究中得到广泛的重视．在冗余度机器人避障方面，研究 主要集中在冗余度机器人避障的容错性、避障性能指标 、避障算法上，而对于通过改变构型 进行避障 的研究很少，因为在冗余度机器人避障的过程中，并不是冗余度越多，机器人 的性能指标越好．机器人指 标的好坏与机器人本身的结构参数 、障碍物的相对位置、末端任务等有很大的关系．本文引入决策选优思 想 ，提出一种基于最优构型的冗余度机器人避障算法． 1 避障路径规划法和梯度投影法 1．1 避障路径规划法 为了解决机器人在障碍物环境下路径规划 问题，人们 已经研究出很多有效方法 ，主要包括人工势场 法 、几何法㈧、拓扑法 、遗传算法 等．其中人工势场法实时性 比较好 ，一般用于动态避障；几何法和 拓扑法主要用于全局规划 ，在二维空间的效果比较好，扩展到三维空间后，其计算时间和复杂性会增加；遗 传算法具有广泛的适应性 ，是现在避障路径规划研究的热点之一． 本文采用Mohri等 提出的一种机器人避免与工作空间内多个障碍物相撞的避障势函数构造法，避 障势函数一般为 k 1 k n+1 1 日()=÷。∑∑F()+寺 ：∑∑F() (1) 一 1 J l — 1 J 1 式中，F，(臼)=(dⅦ一r_-)；F ()=(d 一r。一s。)；为机械臂关节转角；W。和 为正常数．其 中，d 为连杆 与障碍物 i之问的距离； 为关节 与障碍物i之间的距离； 为球体(圆)的半径；为安全因子． 利用标量函数H(0)作为被优化对象，可避免机器人与障碍物相碰 ，实现避障的基本要求． 1．2 梯度投影法 Liegeois 提出将逆运动学问题的解分解为最小范数解和齐次解两部分的梯度投影法，并把 =J6 的齐次解引入到关节角速度解 中．式中，为n×1维机械臂末端速度列阵；．，为m×n维雅克比矩阵；为 关节转角的速度阵列．选择标量函数 日()为被优化的性能指标，称其为基本性能指标，其梯度矢量为VH 收稿 日期：2009—08—26． 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目51075005) 作者简介 ：赵 京 (1961一)，男，北京人 ，教授 ． 万方数据 第 9期 赵 京，等 ：基于构型选优决策的冗余度机器人避障研究 1293 ∈R ，V日=aH／ao，则 =J + (I一．，，)·日 (2) 式 中 为优化因子 ， 的选择是非常重要 的．由于被选构型全是冗余构型，即 ／1,m，因此 J ∈R 是雅 克比矩阵．，的伪逆． 2 选优指标 选优指标是选优决策 中关键的一部分 ，是评价被选方案优劣的