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专利号: 201910444495X
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于改进人工势场法的人机安全避障路径规划方法,具体步骤如下:步骤1:基于Kinetic深度相机,将人物点云信息和3D机器人模型放在统一坐标系下,获取人‑机械臂末端执行器位置关系D(E,O),其中E表示机械臂末端,O表示障碍物;

步骤2:在末端执行器处定义边界球,构建无碰撞空间Ccollision_free,半径为R;

步骤3:获取目标‑机械臂末端执行器位置关系D(E,T)以及速度关系V(E,T),其中E表示机械臂末端,T表示目标点;

步骤3‑1:计算基于目标位置的引力场向量函数:其中dE‑T表示目标与末端的距离误差,K1,D1为控制参数;

步骤3‑2:计算基于目标速度的引力场向量函数:其中vE‑T表示目标与末端的速度误差,K2,D2为控制参数;

步骤3‑3:合成引力场向量函数:Vsum=αVtarget+βVvel    (6)其中α,β为两种吸引力速度的合成权系数,Vamax为引力场向量函数产生的机械臂末端执行器最大线速度;

步骤4:定义斥力场向量函数:

其中Vrmax为斥力场向量函数产生的机械臂末端执行器最大线速度,ρ为障碍物与无碰撞空间中心距离;

步骤5:判断障碍物与机械臂的速度关系,当人缓慢接近机械臂,以速度vHvrobot_endm/s进入工作空间时,采用Pivot算法对斥力场向量函数进行优化,具体步骤如下:步骤5‑1:定义 其中a是 的单位向量,r是Vrep的单位向量;

步骤5‑2:构建坐标系(a,v,n),n为垂直a‑r平面的单位向量,v为垂直n‑a的单位向量;

步骤5‑3:当θ>90°,障碍物远离机械臂,斥力场向量函数保持不变,执行步骤3;

步骤5‑4:当0°<θ<90°,障碍物靠近机械臂,通过Pivot算法调整斥力场向量函数,新的斥力场向量函数表示为:

Vrpviot=||Vrep||(cosγa+sinγv)    (10)步骤5‑5:当θ=0°,无法直接构建步骤5‑2坐标系,则假设 和Vrep存在一定误差θ,构建新的μ向量,r向量表示为(rx,ry,rz),定义:η=μ+λ     (12)

若r向量不在x‑y平面且不在z轴,则新的μ向量为:若r向量在x‑y平面,则新的μ向量为:T

μ=[cos(λ+θ),sin(λ+θ),0]    (16)若r向量在z轴上,则新的μ向量为:T

μ=[0,sinθ,cosθ]    (17)步骤6:对引力场向量函数以及斥力场向量函数进行矢量合成,通过机械臂逆运动学计算,控制机械臂避障;

其中ut为时间因子,η为机械臂停留的时间,t为恢复扰动时间,若机械臂停留η时间,则陷入局部极小值,增大斥力场向量,保证机械臂继续避障;在T时间后,检测机械臂是否远离障碍物并继续向目标点靠近,若远离障碍物,则避障成功,否则返回步骤5,更新斥力场向量函数。

2.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法的人机安全避障路径规划方法,其特征在于:步骤5中,在障碍物速度过大,使用传统人工势场法无法避开时,通过引入Pivot算法,更新斥力场向量函数,进而合成新的势力场进行机械臂避障。

3.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法的人机安全避障路径规划方法,其特征在于:步骤6中,通过引入时间因子,对斥力场向量函数进行加权计算,在机械臂陷入局部最小值时,增大斥力,让机械臂快速脱离。