一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法,涉及机械臂路径规划技术领域，该方法通过显式地考虑使用机械臂完成物体表面覆盖任务时因运动学约束导致的末端执行器抬离物体表面，将覆盖路径设计问题转化为子胞腔分解问题并求解，从而获得机械臂覆盖子胞腔的方式。本发明专利技术的方法具有保证机械臂在覆盖任务执行过程中末端执行器仅抬离物体表面最少次数的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法
本专利技术涉及机械臂路径规划
，具体地说，是一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法。
技术介绍
物体表面的覆盖任务是工业应用中的常见任务，被广泛应用于物体表面的近距离建模、喷漆、抛光等工作中。为了满足对三维空间中一般形状的物体进行加工的需求，覆盖任务通常由机械臂完成。一方面，机械臂的运动学问题是几十年来一直被研究的热门问题。机械臂运动学的实质是寻找机械臂的各个关节角度组成的关节空间到机械臂的末端执行器的位姿空间的映射。当机械臂中具有旋转关节时，这种映射关系是非线性的。另一方面，曲面的覆盖问题是机器人路径规划任务中的覆盖路径规划问题，针对给定的待覆盖空间，设计出一条路径，使得机器人沿着路径运行后可以经过待覆盖空间上的每一个点，在此过程中机器人视作一个质点。在物体表面的覆盖问题中，机械臂末端安装的末端执行器沿着设定好的覆盖路径运行，即可经过物体表面的每一个点。然而，由于机械臂存在运动学约束，它不能使得末端执行器完整跟踪整条覆盖路径。在这种情况下，覆盖工作被迫中断，且机械臂需要调整其姿态来完成后续的跟踪任务。传统的覆盖路径规划算法是在被覆盖区域上进行路径生成的算法，在机械臂的覆盖路径规划问题中相当于在物体表面直接生成覆盖路径。然而由于机械臂的正运动学是非线性的，工作空间中的覆盖路径很容易因为机械臂的运动学约束而被截断。机械臂需要将末端执行器抬起，在空中完成机械臂位姿的变换，再重新接触。末端执行器的“脱离-重新接触”的过程需要复杂的控制策略，浪费额外的时间和能量，降低工业生产效率。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法，在完全已知环境下、对物体表面进行覆盖任务的方法。该方法在整个覆盖任务执行过程中，机械臂的末端执行器只需要与物体表面解除接触最少次数。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法，所述机械臂的末端执行器与待覆盖物体表面间的接触为点接触，且待覆盖物体、机械臂以及环境中的障碍物的相对位置关系已知，且在覆盖任务执行过程中保持不变。所述使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法具体包括以下步骤：步骤一、对待覆盖物体的曲面M上所有的点进行机械臂逆运动学求解，获得覆盖此点时机械臂的位姿，对于曲面M上的任一点p，所有的可行位姿记为{Jp1，Jp2，…，Jpn}，若待覆盖物体表面被完整覆盖，则所有的点均对应一组可行的位姿；否则，待覆盖物体表面上不能覆盖到的点没有对应的位姿。曲面M上的所有点的可行位姿构成机械臂的关节空间，所述机械臂的关节空间包括奇异位姿和非奇异位姿。步骤二、除去所有奇异位姿后，所述机械臂的关节空间被分割成若干不相交的集合，每个集合中存储能被机械臂连续执行的位姿，将相同集合中的位姿标注相同的编号，不同集合中的位姿标注不同的编号，将不同的集合编号设置为c1，…，cn，曲面M上的每一点根据其可行位姿对应的编号获得点p对应的编号组合。步骤三、根据待覆盖物体的曲面M上的点的连通性，把具有相同编号组合、且在待覆盖物体的曲面M上连通的点划分为同一个胞腔。两个胞腔之间的交界处记为一条拓扑边。每个胞腔具有唯一的编号，记为第一胞腔、第二胞腔……、第N胞腔，且在后文被称为第一胞腔、第二胞腔等。每个胞腔可覆盖此胞腔的不同种机械臂位姿(即前述的编号组合)，还按顺序存储与之邻接的胞腔的编号。步骤四、对于单连通的胞腔，用二进制数编码其所有不同的切割方式：二进制数的数字个数就是此胞腔的拓扑边个数。根据二进制数中对应数位是1还是0，0表示这条拓扑边会被保留，即拓扑边两侧的两个胞腔最终会是不同的编号，在机械臂执行时末端执行器抬起一次；1表示这条拓扑边会被删除，即拓扑边两侧的区域最终是相同的编号，在机械臂执行时被末端执行器连续、无抬起地覆盖。对于拓扑边数为1、2、3的胞腔，直接使用枚举方法获得最优解。然而，对于拓扑边数超过3的胞腔，经过分解后可能形成子胞腔，而子胞腔的拓扑边数少于原胞腔，通过递归求解出所有出现的子胞腔，获得所有可能的解。步骤五、对于n连通胞腔，n连通胞腔内部有n-1个内部边界。我们使用递归的方法求解n连通胞腔。n连通胞腔的分解方法步骤如下：(5.1)当n＝1时，所述胞腔即为步骤四中的单连通胞腔，使用步骤四求解即可。(5.2)当n＝2时，所述胞腔有两条边界，记为内边界和外边界。每条边界都由若干拓扑边组成，其中每个拓扑边都会连接至另一个胞腔。我们使用如下方法将二连通胞腔的所有可能解法进行完整的分类：(5.2.1)考虑不存在内外边界相连通的切割路径的情况，将内外边界分开，视作两个单连通胞腔各自求解；(5.2.2)考虑内外边界相连通的切割路径，先设计两条连接内、外边界的切割路径，将二连通胞腔的分解问题转化为两个单连通胞腔的分解问题，而后使用步骤四中单连通胞腔的求解方法进行求解。(5.3)当n＞2时，将n连通胞腔的n-1个内边界编号，其中外边界和第i个内边界包含的拓扑边分别用如下符号表示：ω＝(α1，…，αK)其中，αK表示该胞腔与它的第K个外部邻接胞腔之间的拓扑边，表示该胞腔与它的第i个内部边界上编号为Ji的胞腔之间的拓扑边。(5.3.1)只考虑外边界ω和第一条内边界ω1，根据步骤五中二连通胞腔的求解过程可知，由ω和ω1构成的二连通胞腔中设计两条切割路径使之成为两个单连通胞腔。(5.3.2)再将第二条内边界ω2放入(5.3.1)中生成的两个单连通子胞腔之一。则这个被放入了ω2的那个单连通子胞腔成为了一个二连通子胞腔。将该二连通子胞腔使用(5.2)所述步骤求解，最终将其再分为两个单连通子胞腔。经过此步骤后，原先的n连通胞腔包含了ω，ω1，ω2，且已经被分为了三个单连通子胞腔。(5.3.3)对于后续的每个内边界ω3，…，ωn-1，均依次执行以下步骤：将ω3，…，ωn-1放入已经生成好的某个单连通子胞腔中使之变为二连通胞腔，并再切分为两个单连通子胞腔。在放入第i个内边界时，原胞腔已经被分为了i份。将n-1个内边界都放入胞腔中后，原胞腔被切分为n个单连通子胞腔，将这n个单连通子胞腔通过步骤四进行求解。步骤六、根据步骤四、五的求解过程，使用迭代方式求解待覆盖物体表面上机械臂的运动学模型生成的拓扑图：(6.1)对待覆盖物体表面上的第一胞腔，遍历所述第一胞腔的所有可能的切割方法并设置编号，即完成所述第一胞腔的所有解法。对所有解法中的每一个，执行步骤(6.2)；(6.2)对待覆盖物体表面上的第二胞腔，遍历所述第二胞腔的所有可能的切割方法并设置编号，即完成所述第二胞腔的所有解法。将第二胞腔的所有解法与第一胞腔设定有矛盾的解删掉。对第二胞腔中剩下的可行解法中的每一个，执行步骤(6.3)；(6.3)依次对待覆盖物体表面上的第三胞腔至第N胞腔执行步骤(6.2)，使得每个胞腔都被设置切割本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法，其特征在于，所述机械臂的末端执行器与待覆盖物体表面间的接触为点接触，且待覆盖物体、机械臂以及环境中的障碍物的相对位置关系已知，且在覆盖任务执行过程中保持不变。/n所述使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法具体包括以下步骤：/n步骤一、对待覆盖物体的曲面M上所有的点进行机械臂逆运动学求解，获得覆盖此点时机械臂的位姿，对于曲面M上的任一点p，所有的可行位姿记为{J

【技术特征摘要】
1.一种使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法，其特征在于，所述机械臂的末端执行器与待覆盖物体表面间的接触为点接触，且待覆盖物体、机械臂以及环境中的障碍物的相对位置关系已知，且在覆盖任务执行过程中保持不变。
所述使用机械臂完成不可重复覆盖任务抬起次数最少的方法具体包括以下步骤：
步骤一、对待覆盖物体的曲面M上所有的点进行机械臂逆运动学求解，获得覆盖此点时机械臂的位姿，对于曲面M上的任一点p，所有的可行位姿记为{Jp1，Jp2，…，Jpn}，若待覆盖物体表面被完整覆盖，则所有的点均对应一组可行的位姿；否则，待覆盖物体表面上不能覆盖到的点没有对应的位姿。曲面M上的所有点的可行位姿构成机械臂的关节空间，所述机械臂的关节空间包括奇异位姿和非奇异位姿。
步骤二、除去所有奇异位姿后，所述机械臂的关节空间被分割成若干不相交的集合，每个集合中存储能被机械臂连续执行的位姿，将相同集合中的位姿标注相同的编号，不同集合中的位姿标注不同的编号，将不同的集合编号设置为c1，…，cn，曲面M上的每一点根据其可行位姿对应的编号获得点p对应的编号组合。
步骤三、根据待覆盖物体的曲面M上的点的连通性，把具有相同编号组合、且在待覆盖物体的曲面M上连通的点划分为同一个胞腔。两个胞腔之间的交界处记为一条拓扑边。每个胞腔具有唯一的编号，记为第一胞腔、第二胞腔……、第N胞腔，且在后文被称为第一胞腔、第二胞腔等。每个胞腔可覆盖此胞腔的不同种机械臂位姿(即前述的编号组合)，还按顺序存储与之邻接的胞腔的编号。
步骤四、对于单连通的胞腔，用二进制数编码其所有不同的切割方式：二进制数的数字个数就是此胞腔的拓扑边个数。根据二进制数中对应数位是1还是0，0表示这条拓扑边会被保留，即拓扑边两侧的两个胞腔最终会是不同的编号，在机械臂执行时末端执行器抬起一次；1表示这条拓扑边会被删除，即拓扑边两侧的区域最终是相同的编号，在机械臂执行时被末端执行器连续、无抬起地覆盖。对于拓扑边数为1、2、3的胞腔，直接使用枚举方法获得最优解。然而，对于拓扑边数超过3的胞腔，经过分解后可能形成子胞腔，而子胞腔的拓扑边数少于原胞腔，通过递归求解出所有出现的子胞腔，获得所有可能的解。
步骤五、对于n连通胞腔，n连通胞腔内部有n-1个内部边界。我们使用递归的方法求解n连通胞腔。n连通胞腔的分解方法步骤如下：
(5.1)当n＝1时，所述胞腔即为步骤四中的单连通胞腔，使用步骤四求解即可。
(5.2)当n＝2时，所述胞腔有两条边界，记为内边界和外边界。每条边界都由若干拓扑边组成，其中每个拓扑边都会连接至另一个胞腔。我们使用如下方法将二连通胞腔的所有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王越，杨桐，熊蓉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33