基于精准碰撞检测算法的机械臂避障轨迹规划

为完成6自由度机械臂在多种障碍物环境下的关节轨迹规划，提出一种精确的碰撞检测算法，结合6次多项式关节空间轨迹规划算法完成机械臂的轨迹规划避障算法。通过对障碍物与机械臂进行几何模型简化将6自由度机械臂的碰撞检测问题转化为模型之间最小距离计算问题；结合机械臂正逆运动学与碰撞检测结果，创建遗传优化算法的适应度函数，使机械臂在完成避障的同时优化各关节轨迹长度和转动角度，将机械臂避障轨迹规划问题转化为约束条件下的多目标优化问题。最后通过MATLAB对算法进行仿真实验，结果表明，该算法在多种障碍物的环境下能够规划出满足要求的运动轨迹。

随着工业自动化的不断发展，工业生产制造领域的很多人工作业岗位被工业机器人取代，工业机器人作为形成工业自动化生产线的关键设备，大力发展工业机器人是我国实现自动化生产线和智能车间的重要措施。工业机器人应用在各种不同的作业环境中，完成简单机器人轨迹规划外，需考虑不同作业环境中存在的障碍物。不同工作环境中，障碍物的位置、形状、大小等各不相同，对工业机器人进行轨迹规划的避障研究是实现自动化生产线的关键。根据实际安全生产与稳定的要求，首先，工业机器人避障轨迹规划需满足全局避障，不仅仅是满足末端执行器的避障，而是做到各个连杆的避障[1]；其次机械臂关节空间轨迹规划的各个关节的角速度与角加速度必须连续，以提高机械臂的运动效率和降低关节冲击[2]；最后，为得到更加安全节能的轨迹，在进行避障轨迹规划的同时需要优化各关节运动角度以及各连杆运动轨迹长度。

目前应用在机械臂碰撞检测的算法主要有传感器、图像、空间几何模型等。传感器的检测精度受环境影响较大，不适用于复杂的作业环境中[3]；基于图像的检测算法计算量过大，对硬件要求高，不适合实际应用[4] [5]；基于空间几何模型的方法相对前两种算法， 计算量小、结果稳定以及检测效率高， 更适合实际应用[6]。

包卫卫等通过对6 自由的检修机械臂进行研究， 采用AABB 包围盒和圆柱体简化机械臂模型[7]。

通过对空间线段间的几种情况进行分析，对机械臂可能发生碰撞的部位进行计算，但该算法耗时巨大。吴长征等采用胶囊体为机器人连杆几何模型，通过计算两胶囊体之间的距离进行碰撞检测[8]，但是此方法将两线段最小距离直接简化为线段端点及两线段延长为直线后共垂线交点之间的距离，这样的处理方式忽略了一些可能发生碰撞的问题；王新达等也采用了上述的简化方法，提出一种针对多自由度机械臂在运动过程中自身发生碰撞的问题[9]，上述论文均只进行了机械臂碰撞检测的自检，未对机械臂在工作环境中的障碍物进行碰撞检测。

现有的机械臂轨迹规划主要分为笛卡尔空间轨迹规划和关节空间轨迹规划[10]，两者各有优缺点，其中笛卡尔空间规划可以很好的确定机械臂末端执行器的位置， 但是笛卡尔轨迹规划存在计算量大， 对芯片的性能要求高；关节空间轨迹规划在操作时非常简便， 而且可以有效避免机械臂在运动空间中的奇异点， 实时性高，计算量小[11]。针对机械臂避障轨迹规划需求，本文采用关节空间轨迹规划。祁若龙、谭燕等均采用遗