一种面向蛇形机械臂的多目标点路径规划方法

本发明涉及机器人路径规划领域，具体是指一种面向蛇形机械臂的多目标点路径规划方法。

背景技术：

1、在一些复杂环境、狭小空间和人不可接近场景，如高温高压、核电站探测、毒性废料采样、大型舰船检修、精密设备维护等方面，由于环境复杂且危险性较高，人与大型设备无法进入，体型纤细、运动灵活的蛇形机械臂凭借多自由度、高长径比、轻结构、高载重等特点，成为一个重要选择。

2、高冗余自由度为蛇形机械臂带来较高的灵巧性的同时，使其运动规划问题变得非常复杂。目前对于蛇形机械臂路径规划的研究都集中于两点之间最优路径搜索的情况。然而，在实际工作任务中通常具有多个目标作业点，现有的路径规划算法难以满足现实的任务要求。综上所述，蛇形机械臂在各领域具有极强的应用前景，研究蛇形机械臂的多目标点运动规划问题具有极强的现实意义。

3、基于此，本发明提供了一种面向蛇形机械臂的多目标点路径规划方法。

技术实现思路

1、为了解决在非结构化复杂环境下蛇形机械臂的多目标点路径规划问题，本发明提出了适用于蛇形机械臂的多目标点路径规划新方法，达到缩短蛇形机械臂运行消耗的时间、提高工作过程稳定性的目的。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、初始路径规划模块，用于规划任务中蛇形机械臂的初始路径，为工作提供可行方案；

4、路径相似度分析模块，用于描述空间路径的相似性、获取路径间中转点和可过渡区域；

5、多目标路径融合与选择模块，用于根据蛇形机械臂模型从路径间中转点拟合过渡路径，并依据目标函数选择最优路径至多个目标点。

6、可选地，所述初始路径规划模块具体包括：

7、从矩阵中读取起始点和目标点信息，引入随机偏置概率和启发式函数对传统rrt算法进行改进，以规划速度和路径节点成本作为评价指标，生成各点之间的最优路径。

8、可选地，所述路径相似度分析模块具体包括：

9、路径间相似度计算，用于衡量两条路径的差异程度。引入余弦相似度计算公式，由起始点开始以设定步长连续迭代计算路径段的相似度，直至达到相似度最大阈值或路径迭代结束；

10、路径间碰撞检测，通过蛇形机械臂与障碍物的空间位置判断建立碰撞检测算法，在相似度计算过程中连接两路径向量，通过碰撞检测计算得到两条路径间的无障碍区域。在相似范围内的最大无障碍区域即为蛇形机械臂的路径可转移区域，其与两条路径的边界交点即路径间的中转点。

11、可选地，所述多目标路径融合与选择模块具体包括：

12、根据中转点和路径可转移区域确定蛇形机械臂的两种姿态，利用插值法拟合路径转移过程姿态与末端过渡运动路径，融合当前路径、目标路径、回退路径和过渡路径形成多目标路径；通过目标函数判断路径融合的有效性，选择目标函数较小的路径作为蛇形机械臂工作路径。

13、进一步地，本发明所述的初始路径规划模块中引入启发式函数对rrt算法进行改进的方法为：

14、使用rrt算法生成快速探索随机树，形成一系列可行路径点。将规划出的可行点通过改进的a*算法的代价函数遍历搜索所有路径点，进行代价估算和衡量选择，在满足机械臂关节角度限制的情况下得到最小代价路径。

15、进一步地，本发明所述的路径相似度分析模块中路径间相似度计算的方法为：

16、以特定步长从起点开始沿路径拓展获得计算点并形成对应路径方向向量，通过计算路径向量之间的余弦值确定路径段间的相似程度。以原计算点沿对应路径拓展一个步长获得新计算点，重复拓展与计算直至达到路径终点或向量余弦值超出阈值。

17、本发明产生的有益效果是：

18、本发明针对蛇形机械臂的多目标点路径规划问题，利用快速探索随机树法、启发式a*算法、余弦相似度理论等原理设计一种适用于空间蛇形机械臂的多目标点路径规划方法，在满足机械臂机构的特殊限制的条件下，使蛇形机械臂能够在不同非结构化环境根据实际需求生成并选择起点与多个目标点间的路径规划，降低蛇形机械臂运行时间，减少工作路径距离，使蛇形机械臂能够高效、稳定的工作。

技术特征：

1.一种面向蛇形机械臂的多目标点路径规划方法，其特征在于：该方法包括初始路径规划、路径相似度分析、多目标路径融合与选择三个模块，其中，初始路径规划模块用于规划任务中蛇形机械臂的初始路径，为工作提供可行方案；路径相似度分析模块用于描述空间路径的相似性、获取路径间中转点和可过渡区域；多目标路径融合与选择模块用于根据蛇形机械臂模型从路径间中转点拟合过渡路径，并依据目标函数选择最优路径至多个目标点；

2.根据权利要求1所述的一种面向蛇形机械臂的多目标点路径规划方法的初始路径规划模块，其核心在于：形成可行路径点后引入a*启发式成本函数，在满足机械臂关节角度限制的情况下寻找最小代价路径；其中改进的路径点代价计算函数为：

3.根据权利要求1所述的一种面向蛇形机械臂的多目标点路径规划方法，其核心在于：在路径相似度分析模块中路径间相似度计算的方法为：

技术总结本发明公开了一种面向蛇形机械臂的多目标点路径规划方法，包括：初始路径规划：读取起始点和目标点信息，引入随机偏置概率和启发式函数改进RRT算法，以规划速度和路径节点成本作为评价指标，生成各点之间的最优路径；路径相似度分析：引入余弦相似度计算公式，由起始点开始以设定步长迭代计算路径段相似度，直至达到相似度最大阈值或路径迭代结束；路径间碰撞检测获得路径可转移区域和路径间中转点；多目标点融合与选择：确定蛇形机械臂的两种姿态，利用插值法拟合转移过程姿态与末端过渡运动路径，融合当前路径、目标路径等形成多目标路径；选择目标函数较小的路径作为蛇形机械臂工作路径。本发明能应用于蛇形机械臂多目标点路径规划问题中。技术研发人员：张东,盖妍,曹政才,居仁杰受保护的技术使用者：北京化工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13