帶電搶修作業機器人運動控制模型構建

周軍偉 沈海江 李文飛 霍凱龍 莫建中

摘要：帶電搶修作業機器人的運動控制問題，實際上就是機器人的雙臂協調控制問題。當機器人雙臂同時運動時，如何有效防止雙臂避碰是一個必須考慮的問題。本文為防止帶電搶修作業機器人雙機械臂在作業過程中可能發生的碰撞，在c空間法的基礎上，研究帶電搶修作業機器人的雙臂避碰路徑規劃問題，進而提出一種改進的A*搜索算法的雙臂避碰的協調控制方法，并通過仿真實驗，對該方法進行驗證，結果表明，該方法可有效實現帶電搶修作業機器人雙臂避碰協調控制。

關鍵詞：帶電搶修作業機器人;運動控制;雙臂協調控制

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0098-05

機器人的避障路徑規劃，即為機器人的運動尋找一條從從始至終不經過任何障礙的路徑。這條路徑需滿足機器人或機器人的機械臂在運動過程中，各關節不與空間內的任何障礙物，包括機器人自身雙臂之間發生碰撞。機器人避障作為協調控制的一部分，一直以來是機器人控制研究的熱點，也是難點。如何防止雙臂的碰撞，很多學者進行了大量研究，如部分學者將機器人運動放到笛卡爾空間坐標系中，并通過空間坐標轉換的方式來研究機械臂的運動;部分學者則基于笛卡爾空間，提出了A*搜索算法等在內的機械臂協調控制方法。本研究認為，解決機器人的避障路徑規劃問題，就能解決機器人雙臂的協調控制，實現對機器人的運動控制。對此，本文在c空間法和改進的A*搜索算法的基礎上，通過對機器人的機械臂雙臂碰撞進行檢測分析，并提出一種避障路徑搜索方法，以實現機器人避障的最優規劃。最后在MATLAB中完成了仿真和分析，驗證該方法的可行性和有效性。

1基本方法

1.1 C空間法

c空間法是機械臂避障常見的一種路徑規劃方法。它將機械臂的實際避障問題，轉化為在無障礙區域內尋找起始點和目標點的路徑問題。本研究中，以帶電搶修作業機器人機械臂的關節角為變量，建立c空間，并設定障礙物空間和自由空間。其中，障礙物空間是障礙物在C空間區域投射，自由空間是除障礙物空間之外的其余空間，空間內的每一個點表示機械臂的一個特定位置。通過建立c空間法，并從自由空間中找到一條不經過任何障礙的路徑，就可以實現現實工作帶電搶修作業機器人的機械臂無碰撞路徑。值得注意是，由于C空間的維數高，計算量較大，因此在進行多自由度的機械臂建模和搜索時，應盡量減少計算量。

1.2改進的A*搜索算法

A*搜索算法是常見的路徑搜索方法，常用于搜索最短路徑，具有靈活多變的特陛。為了使搜索結果更加符合最優路徑，本研究對A*搜索算法進行了改進，并利用改進的A*搜索算法實現了對機器人機械臂無障礙路徑的搜索。具體原理是在原有A*搜索算法的搜索路徑的基礎上，增加了多個待選點，搜索路徑也從起始點到目標點一條搜索路徑變為從起始點到待選點和從待選點到終點多條路徑。搜索過程可用圖1表示。

圖1模擬了一個帶電搶修作業機器人機械臂的空間狀態。圖中，A表示搜索路徑的起始點，H表示搜索路徑的目標點，B、C、D、E、F、G表示待選點。待選點內的f、g、h分別表示f（n）、g（n）、h（n），數字它們對應的值。n表示待選點，f（n）表示估價函數，g（n）表示第n個待選點的實際代價，h（n）表示第n個待選點到目標點的最佳路徑。三者的關系為：

f（n）=g（n）+h（n）（1）

2機械臂雙臂碰撞檢測

帶電搶修作業機器人雙臂無碰撞問題，實際上就是無碰撞軌跡規劃問題。因此本研究對帶電機器人機械雙臂碰撞的檢測分析，轉化為無碰撞軌跡研究檢測。同時在研究中，通常設定甲臂在整個規劃路徑中的任意時刻的位置都是已知的，因此，只需要用C空間對乙臂的路徑進行研究。為使研究過程通俗易懂，本研究將帶電搶修作業機器人的機械臂的每條連桿簡化為一條線段。如圖2所示，當兩只機械臂發生碰撞時，連桿的兩條線段相交，即線段AB和cD相交，即線段AB的兩個端點A、B位于線段cD的兩側，或者位于CD線段上。

由圖6可知。機器人雙臂同時運動時。乙臂仍然可以避開甲臂運動所形成的障礙物，實現了從起始點s到目標點G的無碰撞過程。

通過仿真實驗，我們可以得出結論，在不發生碰撞的情況下，本研究設計的甲臂和乙臂的路徑規劃算法切實有效。

5結語

帶電搶修作業機器人運動控制模型構建問題，實際上就是帶電搶修作業機器人運動協調控制問題。本文采用c空間法和改進的A*搜索算法對機器人的雙臂避障路徑進行規劃，提出來一種協調機器人雙臂免碰撞的控制方法。最后，通過實驗仿真證明了該方法的可行性。實驗證明，該方法在帶電搶修作業機器人的實際工作中避碰切實有效。