复杂环境建模与机器人避障规划研究-哈尔滨工程大学学报.PDF

第３７卷第 １０期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 哈　 尔　 滨　 工　 程　 大　 学　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ．３７ №．１０ ２０１６年１０月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｏｃｔ．２０１６ 复杂环境建模与机器人避障规划研究 张智，邹盛涛，董然，张乐乐，郭文县 （哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 １５０００１） 摘　 要：针对复杂环境下的机械臂作业问题，提出了一种基于空间凸多面体集模型的避碰路径规划方法。 首先，给 出一种利用空间凸多面体模型的复杂物体建模方法，该方法具有一套树型递归结构框架，能精确逼近任意形状的 物体，并支持子物体之间的自由度连接，从而能恰当表示如多关节机械臂和电脑桌等带有运动自由度（关节转动、 柜门开合、抽屉拉出等）的物体；然后，设计了一种基于直线扫掠体序列的碰撞检测方法，它能快速、准确地进行连 续运动的机械臂与空间物体间的碰撞检测；最后，采用遗传算法实现了机械臂的避碰路径规划。 在桌面上摆放多 个复杂形状物体后，机械臂顺利完成了避障作业规划。 仿真结果验证了算法的有效性，表明了其实用价值。 关键词：机械臂；凸多面体；碰撞检测；遗传算法；避碰路径规划 ＤＯＩ：１０．１１９９０／ ｊｈｅｕ．２０１５０５０４８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ／ ２３．１３９０．ｕ１４２６．００４．ｈｔｍｌ － － － 中图分类号：ＴＰ２４ 　 文献标志码：Ａ　 文章编号：１００６ ７０４３（２０１６）１０ １３７３ ０８ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｒｏｂｏｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ＺＨＡＮＧＺｈｉ，ＺＯＵ Ｓｈｅｎｇｔａｏ，ＤＯＮＧ Ｒａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｌｅｌｅ，ＧＵＯ Ｗｅｎｘｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ ａｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｎ ａｃｏｍｐｌｅｘ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ｔｈｅｂａｓｉｓｏｆ ｓｐａｔｉａｌｃｏｎｖｅｘｐｏｌｙｔｏｐｅｍｏｄｅｌｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ａｃｏｍｐｌｅｘ ｏｂｊｅｃｔｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｔｉｌｉｚｉｎｇｓｐａ⁃ ｔｉａｌ ｐｏｌｙｔｏｐｅ ｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ａｐｐｒｏａｃｈｗａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ａｆｒａｍｅｗｏｒｋｗｉｔｈ ａ ｔｒｅｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｅ⁃ ｃｉｓｅｌｙ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｔｈｅｏｕｔｌｉｎｅｏｆ ａｎａｒｂｉｔｒａｒｙｏｂｊｅｃｔａｎｄｓｕｐｐｏｒｔＤＯＦｌｉｎｋｉｎｇａｍｏｎｇｔｈｅａｆｆｉｌｉａｔｅｄｂｏｄｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ａ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｗｉｔｈ ｃｅｒｔａｉｎ ＤＯＦ （ｊｏｉｎｔ ｒｏｔａｔｉｏｎ，ｏｐｅｎｉｎｇ／ ｃｌｏｓｉｎｇ ｏｆ ｃａｂｉｎｅｔ ｄｏｏｒ，ｐｕｌｌ⁃ｏｕｔ ｏｆ ｄｒａｗｅｒ，ｅｔｃ．）， ｓｕｃｈ ａｓ ａ ｍｕｌｔｉ⁃ｊｏｉｎｔ ｒｏｂｏｔ ａｒｍ ａｎｄ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔａｂｌｅ，ｃａｎ ａｌｗａｙｓ ｂｅ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ． Ｔｈｅｎ，ａ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｆｅａｔｕｒｉｎｇ ａ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ⁃ｓｗｅｐｔ ｖｏｌｕｍｅｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｉｔ ｐｅｒｍｉｔｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｌｌｉ⁃ ｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｍｏ