改进人工势场法的机械臂避障路径规划

文/范学慧　李爱民　安淑女

在机械臂的避障路径上的路径规划问题是指在一个有障碍物的路径里，机器臂在各种工作运行中不管是开始状态还是结束状态都从始至终没有与障碍物发生碰撞或膜材的运动轨迹策划。大多数机械臂策划轨迹的方法一般是以插补为形式的，机器臂的典型轨迹规划方法包括人工势场法，网格法以及各种算法.本文在虚拟空间附近添加障碍物的某一位置的最小值， 使用由虚拟斥力的潜力引起的虚拟障碍将手臂从当地最小问题移开避开障碍物最终达到目标点。

1　机械臂的具体规划

1.1　机械臂的路径规划

机械臂的规划在原来大多数是以机械臂的最尾端在一个全方位的空间位置进行调试。然后由调试的各方位结果以及机械臂的每个可运动节点的运动范围。这种传统的方法在某种意义上来讲只适用于一部分比较特别的机械臂，就是通过尾部的运动和逆运动学得到各关节角值的闭合解。然而，由于多关节机械臂的种种特点，就算可以用逆运动学模型进行分析，也因为计算量太过庞大从而导致连续角与其他角度的值不契合甚至得不到计算量，在手臂运动不结束的情况下，关节角反解不连续从而产生许多无法解决的新问题。这种特殊的机械臂在本文中并不存在。它不能用解析法求解机械手的逆运动学问题。在传统方法的基础上，很难实现避障路径规划。如果目的明确障碍物也清晰的这种环境下，本文采用了一些新的方法如遗传算数法来得到一组公共值，所以当公共值组合时，我们可以同时达到最终目标，机械手、机械臂从遥远的空间障碍物中实现机械手的逆解。在获得一组合理的关节值后，提出了机器人手臂在关节空间的路径规划，保证机器人手臂同时到达目标点并到达目标的情况下避开障碍物。本文对人工势场控制标准进行了改进。有排斥力在机械臂运动途中使得机械臂势能下降为目标控制运动。

1.2　机械臂建模规划

机械臂在空间方法和其它方法中很难获得障碍的精确位置故而障碍域建模多为不规则的几何形状的三维障碍为主。在空间域的障碍，利用建模的边与角和各个比较特殊的位置来确定，多面体障碍域，可以通过把障碍物投影到一个表面来完成实现，这种方法会使得各个不规则的几何障碍物的边角过多使得想要确定太过困难，庞大的计算量来确定障碍物容易妨碍整个策划的过程，对于时间的需求非常庞大，对于时效性而言并不推荐。这里采用了障碍物的包裹从而得到规则的近似模型来实现建模从而对时效性加以满足，虽然对障碍域的建模不如前者精细但是大大的提高了效率，对于安全而言也加以保障，所以对障碍物的规划采用这种包络模拟的建模非常实用。

2　改进人工势场法的机械臂路径规划

2.1　机械臂搜索空间

机械臂并不像是那种全方位机械可以容易向四面八方自主移动不受空间限制。机械臂由于自身的种种特点以及多个关节，只要有一个关节发生改变对于整体的改变就会变动更大从而导致位置不固定性。如果是传统的方法为思想，就必须对每个节点进行严格的大量的计算，通过大量的计算从而得到机械臂将要位移到的位置。对于空间坐标而言想要在各方面达到标准就要采用到逆运动在对节点转变位置，对于各个关节的角度值可以使得机械臂能大量高频率地做出逆运动的各种演算，计算量大不说而且容易对两个相邻的关节点得不到角度值，这种情况在实际操作中无论如何也不能出现。要根据各个情况各个关节，来取得准确的组合值来达到各个组合势能的精确。在合适的时机来用最准确的关节组成来成为机械臂运动的下一个目标。

2.2　以关节空间作为搜索空间有以下几个优点

（1）在关节空间内搜索做出的运动必然是连续的所以得不到奇异点。

（2）关节空间能得到的解在实际中必然可以达到。

（3）在关节空间中搜索难度大大降低，相比于世界坐标中搜索更加简便。

2.3　引力势函数与斥力势函数的性质

（1）引力函数实用性广，无论什么情况下引力函数在空间的各个角落都是有效的，不会因为环境变换而受到限制；斥力函数尽在特定环境下才会有效。

（2）机械手的关节角与目标角之间的差异可以得到机械臂的重力势能；从机械臂与障碍物之间的距离可以计算出机械手的斥力势能。

（3）对于引力而言必须为零以上或为零；在这点上斥力与引力一样都是大于等于零；当到达目标时不管是斥力还是引力这时必须为零。在机械臂停止时，倘若发生斥力引力都不为零的情况，则说明这时的机械臂未达到目标点只是在途中停止斥力引力无限接近于零。

2.4　机械臂避障模型

自由度高的机械臂是由机械臂的重要关节带动中间部分从而达到整支机械臂远动通过四面八方旋转的方式使机械臂的自由度大大提高。遥控与自动相结合的机械臂控制手段一般用在排爆方面这使得排爆任务更加易于操作。通过某一个关节点全方位的旋转来使机械臂和目标点处于一个位面，随后如果要使机械臂达到目标点的位置就要有其他关节来旋转。随后的这个操作要通过多节点的改变而实现，如果障碍物真实存在，那么整个过程就会由于操作量过大而耽搁，若果因此而改变机械臂的模式，使之成为全自动，那么整个机械臂遇到的各种问题，不论是计算还是各个层面，都无法做到真正的精确。所以把机械臂的，之后过程做成自动之前过程由人为来操控。

3　结论

想要在关节空间做出改良需要从人工层面出发，机械手的运动控制方法可以通过引力势的最大下降势和机械手的排斥势作为关节空间的标准来解决。 这种方式方法可以很成功的来进行比较单一的避障路径的处理。 这种方案对角度的运算和在关节空间内的进行有很强的针对性。 这种方法也存在着明显的缺点是只能通过其他方法获得一系列合理的关节角度解来解决，才能对避障展开规划。我们要以更开阔的思维和逻辑来对此方法进行延伸努力，以此达到对其他方式方法的依赖性降低，从而成为一个更为新颖的方案。