文/范學(xué)慧　李愛民　安淑女

在機械臂的避障路徑上的路徑規(guī)劃問題是指在一個有障礙物的路徑里，機器臂在各種工作運行中不管是開始狀態(tài)還是結(jié)束狀態(tài)都從始至終沒有與障礙物發(fā)生碰撞或膜材的運動軌跡策劃。大多數(shù)機械臂策劃軌跡的方法一般是以插補為形式的，機器臂的典型軌跡規(guī)劃方法包括人工勢場法，網(wǎng)格法以及各種算法.本文在虛擬空間附近添加障礙物的某一位置的最小值， 使用由虛擬斥力的潛力引起的虛擬障礙將手臂從當(dāng)?shù)刈钚栴}移開避開障礙物最終達到目標(biāo)點。

1　機械臂的具體規(guī)劃

1.1　機械臂的路徑規(guī)劃

機械臂的規(guī)劃在原來大多數(shù)是以機械臂的最尾端在一個全方位的空間位置進行調(diào)試。然后由調(diào)試的各方位結(jié)果以及機械臂的每個可運動節(jié)點的運動范圍。這種傳統(tǒng)的方法在某種意義上來講只適用于一部分比較特別的機械臂，就是通過尾部的運動和逆運動學(xué)得到各關(guān)節(jié)角值的閉合解。然而，由于多關(guān)節(jié)機械臂的種種特點，就算可以用逆運動學(xué)模型進行分析，也因為計算量太過龐大從而導(dǎo)致連續(xù)角與其他角度的值不契合甚至得不到計算量，在手臂運動不結(jié)束的情況下，關(guān)節(jié)角反解不連續(xù)從而產(chǎn)生許多無法解決的新問題。這種特殊的機械臂在本文中并不存在。它不能用解析法求解機械手的逆運動學(xué)問題。在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，很難實現(xiàn)避障路徑規(guī)劃。如果目的明確障礙物也清晰的這種環(huán)境下，本文采用了一些新的方法如遺傳算數(shù)法來得到一組公共值，所以當(dāng)公共值組合時，我們可以同時達到最終目標(biāo)，機械手、機械臂從遙遠(yuǎn)的空間障礙物中實現(xiàn)機械手的逆解。在獲得一組合理的關(guān)節(jié)值后，提出了機器人手臂在關(guān)節(jié)空間的路徑規(guī)劃，保證機器人手臂同時到達目標(biāo)點并到達目標(biāo)的情況下避開障礙物。本文對人工勢場控制標(biāo)準(zhǔn)進行了改進。有排斥力在機械臂運動途中使得機械臂勢能下降為目標(biāo)控制運動。

1.2　機械臂建模規(guī)劃

機械臂在空間方法和其它方法中很難獲得障礙的精確位置故而障礙域建模多為不規(guī)則的幾何形狀的三維障礙為主。在空間域的障礙，利用建模的邊與角和各個比較特殊的位置來確定，多面體障礙域，可以通過把障礙物投影到一個表面來完成實現(xiàn)，這種方法會使得各個不規(guī)則的幾何障礙物的邊角過多使得想要確定太過困難，龐大的計算量來確定障礙物容易妨礙整個策劃的過程，對于時間的需求非常龐大，對于時效性而言并不推薦。這里采用了障礙物的包裹從而得到規(guī)則的近似模型來實現(xiàn)建模從而對時效性加以滿足，雖然對障礙域的建模不如前者精細(xì)但是大大的提高了效率，對于安全而言也加以保障，所以對障礙物的規(guī)劃采用這種包絡(luò)模擬的建模非常實用。

2　改進人工勢場法的機械臂路徑規(guī)劃

2.1　機械臂搜索空間

機械臂并不像是那種全方位機械可以容易向四面八方自主移動不受空間限制。機械臂由于自身的種種特點以及多個關(guān)節(jié)，只要有一個關(guān)節(jié)發(fā)生改變對于整體的改變就會變動更大從而導(dǎo)致位置不固定性。如果是傳統(tǒng)的方法為思想，就必須對每個節(jié)點進行嚴(yán)格的大量的計算，通過大量的計算從而得到機械臂將要位移到的位置。對于空間坐標(biāo)而言想要在各方面達到標(biāo)準(zhǔn)就要采用到逆運動在對節(jié)點轉(zhuǎn)變位置，對于各個關(guān)節(jié)的角度值可以使得機械臂能大量高頻率地做出逆運動的各種演算，計算量大不說而且容易對兩個相鄰的關(guān)節(jié)點得不到角度值，這種情況在實際操作中無論如何也不能出現(xiàn)。要根據(jù)各個情況各個關(guān)節(jié)，來取得準(zhǔn)確的組合值來達到各個組合勢能的精確。在合適的時機來用最準(zhǔn)確的關(guān)節(jié)組成來成為機械臂運動的下一個目標(biāo)。

2.2　以關(guān)節(jié)空間作為搜索空間有以下幾個優(yōu)點

（1）在關(guān)節(jié)空間內(nèi)搜索做出的運動必然是連續(xù)的所以得不到奇異點。

（2）關(guān)節(jié)空間能得到的解在實際中必然可以達到。

（3）在關(guān)節(jié)空間中搜索難度大大降低，相比于世界坐標(biāo)中搜索更加簡便。

2.3　引力勢函數(shù)與斥力勢函數(shù)的性質(zhì)

（1）引力函數(shù)實用性廣，無論什么情況下引力函數(shù)在空間的各個角落都是有效的，不會因為環(huán)境變換而受到限制；斥力函數(shù)盡在特定環(huán)境下才會有效。

（2）機械手的關(guān)節(jié)角與目標(biāo)角之間的差異可以得到機械臂的重力勢能；從機械臂與障礙物之間的距離可以計算出機械手的斥力勢能。

（3）對于引力而言必須為零以上或為零；在這點上斥力與引力一樣都是大于等于零；當(dāng)?shù)竭_目標(biāo)時不管是斥力還是引力這時必須為零。在機械臂停止時，倘若發(fā)生斥力引力都不為零的情況，則說明這時的機械臂未達到目標(biāo)點只是在途中停止斥力引力無限接近于零。

2.4　機械臂避障模型

自由度高的機械臂是由機械臂的重要關(guān)節(jié)帶動中間部分從而達到整支機械臂遠(yuǎn)動通過四面八方旋轉(zhuǎn)的方式使機械臂的自由度大大提高。遙控與自動相結(jié)合的機械臂控制手段一般用在排爆方面這使得排爆任務(wù)更加易于操作。通過某一個關(guān)節(jié)點全方位的旋轉(zhuǎn)來使機械臂和目標(biāo)點處于一個位面，隨后如果要使機械臂達到目標(biāo)點的位置就要有其他關(guān)節(jié)來旋轉(zhuǎn)。隨后的這個操作要通過多節(jié)點的改變而實現(xiàn)，如果障礙物真實存在，那么整個過程就會由于操作量過大而耽擱，若果因此而改變機械臂的模式，使之成為全自動，那么整個機械臂遇到的各種問題，不論是計算還是各個層面，都無法做到真正的精確。所以把機械臂的，之后過程做成自動之前過程由人為來操控。

3　結(jié)論

想要在關(guān)節(jié)空間做出改良需要從人工層面出發(fā)，機械手的運動控制方法可以通過引力勢的最大下降勢和機械手的排斥勢作為關(guān)節(jié)空間的標(biāo)準(zhǔn)來解決。 這種方式方法可以很成功的來進行比較單一的避障路徑的處理。 這種方案對角度的運算和在關(guān)節(jié)空間內(nèi)的進行有很強的針對性。 這種方法也存在著明顯的缺點是只能通過其他方法獲得一系列合理的關(guān)節(jié)角度解來解決，才能對避障展開規(guī)劃。我們要以更開闊的思維和邏輯來對此方法進行延伸努力，以此達到對其他方式方法的依賴性降低，從而成為一個更為新穎的方案。