本發(fā)明屬于機(jī)械臂路徑規(guī)劃，具體涉及一種基于改進(jìn)rrt算法的六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、路徑規(guī)劃技術(shù)作為六軸工業(yè)機(jī)械臂研究中的一個基礎(chǔ)而關(guān)鍵的課題，旨在解決在有障礙物的工作環(huán)境中，如何根據(jù)給定的起始點(diǎn)和期望的目標(biāo)點(diǎn)，按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條既連接起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)又能避開所有障礙物的最優(yōu)運(yùn)動路徑。國內(nèi)外眾多學(xué)者在路徑規(guī)劃領(lǐng)域進(jìn)行了深入的分析與研究，提出了多種算法和技術(shù)方案。其中，rrt（rapidly-exploring?random?tree，快速擴(kuò)展隨機(jī)樹）算法因其具有概率完備性、通用性強(qiáng)以及易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，特別是在處理高維空間問題時表現(xiàn)出色，從而在機(jī)械臂路徑規(guī)劃等領(lǐng)域受到了廣泛的歡迎。然而，rrt算法也存在一些顯著的缺點(diǎn)，如搜索過程中的隨機(jī)性較大，導(dǎo)致搜索速度較慢，以及生成的路徑往往較為曲折，路徑質(zhì)量不高。

2、為了克服rrt算法的這些缺陷，進(jìn)一步提高算法效率和路徑質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的改進(jìn)研究工作。例如，有人提出了rrt*算法，該算法通過重選父節(jié)點(diǎn)以及重新布線等策略，有效改善了路徑的長度，但這一改進(jìn)同時也增加了路徑規(guī)劃的時間成本，影響了算法的實(shí)時性。有人則提出了雙向rrt算法，通過從起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)兩端同時進(jìn)行兩棵樹的擴(kuò)展，加快了算法的搜索速度。然而，這一方法本質(zhì)上仍然是全局隨機(jī)搜索，規(guī)劃出的路徑質(zhì)量并不理想。此外，還有一些學(xué)者嘗試將其他算法與rrt算法相結(jié)合，以期獲得更好的規(guī)劃效果，如將人工勢場的思想引入rrt算法，通過改進(jìn)隨機(jī)樹的生長方向，縮短了整體路徑規(guī)劃的時間。但這種方法仍然無法避免算法對無用空間進(jìn)行過多的探索，從而造成了計算資源的浪費(fèi)。或?qū)rt算法與強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，雖然提高了規(guī)劃的可行性，但同時也大幅增加了算法的計算量，不利于實(shí)時應(yīng)用。

3、綜上所述，雖然目前針對rrt算法的改進(jìn)研究取得了一定的成果，但這些改進(jìn)方法主要集中在提高算法的收斂速度和改善路徑長度方面。對于rrt算法中采樣隨機(jī)性過大以及所規(guī)劃路徑質(zhì)量差這一核心問題，仍然缺乏有效的優(yōu)化手段。因此，如何進(jìn)一步改進(jìn)rrt算法，降低其搜索過程中的隨機(jī)性，提高路徑規(guī)劃的質(zhì)量和效率，仍然是當(dāng)前路徑規(guī)劃領(lǐng)域亟待解決的重要課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于改進(jìn)rrt算法的六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法及裝置，其目的在于降低其搜索過程中的隨機(jī)性，提高路徑規(guī)劃的質(zhì)量和效率。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于改進(jìn)rrt算法的六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法，包括：

4、s1、構(gòu)造采樣限制區(qū)域，采用目標(biāo)偏置策略在限制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)樹的自適應(yīng)優(yōu)化擴(kuò)展，生成新節(jié)點(diǎn)，并判斷新節(jié)點(diǎn)是否通過碰撞檢測，若通過，則執(zhí)行s2，若未通過，則在限制區(qū)域內(nèi)重新進(jìn)行采樣，直至通過；

5、s2、采用角度約束策略構(gòu)造角度約束區(qū)域，判斷s1中的新節(jié)點(diǎn)是否在角度約束區(qū)域內(nèi)；若在則將s1中的新節(jié)點(diǎn)作為下次規(guī)劃的父節(jié)點(diǎn)，若不在則在角度約束區(qū)域內(nèi)重新采樣并生成新節(jié)點(diǎn)，將該節(jié)點(diǎn)作為下次規(guī)劃的父節(jié)點(diǎn)；

6、s3、判斷s2中生成的新節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)間的距離是否小于設(shè)定閾值；若不小于，則返回s1繼續(xù)進(jìn)行隨機(jī)樹的自適應(yīng)優(yōu)化擴(kuò)展；若小于，則判斷s2中生成的新節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)間是否存在障礙物；若存在障礙物則返回s1繼續(xù)進(jìn)行隨機(jī)樹的自適應(yīng)優(yōu)化擴(kuò)展，若無障礙則將s2中生成的新節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)直接相連，搜索完成并生成初始路徑；

7、s4、去除初始路徑中的冗余點(diǎn)，得到規(guī)劃路徑。

8、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述構(gòu)造采樣限制區(qū)域，具體為：

9、確定采樣點(diǎn)以及隨機(jī)樹中與采樣點(diǎn)距離最近的父節(jié)點(diǎn)，連接目標(biāo)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)，以目標(biāo)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的線段為直徑構(gòu)造一個圓，該區(qū)域即為采樣限制區(qū)域。

10、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述采用目標(biāo)偏置策略在限制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)樹的自適應(yīng)優(yōu)化擴(kuò)展，具體為：

11、設(shè)置一個閾值，其范圍在（0，1）之間；

12、當(dāng)隨機(jī)樹選取采樣點(diǎn)時，生成一個（0，1）間的隨機(jī)數(shù)；

13、若，則將采樣點(diǎn)設(shè)置為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)偏置采樣；

14、若，則進(jìn)行隨機(jī)采樣。

15、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述采用角度約束策略構(gòu)造角度約束區(qū)域，具體為：

16、將起始點(diǎn)分別與父節(jié)點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)相連接，得到角度約束區(qū)域。

17、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述隨機(jī)樹的自適應(yīng)優(yōu)化擴(kuò)展，具體為：

18、以節(jié)點(diǎn)同障礙物之間的距離來決定步長，設(shè)置一級安全距離、二級安全距離以及三種不同大小的步長，三種不同大小的步長為大步長、正常步長和小步長；

19、當(dāng)節(jié)點(diǎn)同障礙物之間的距離大于二級安全距離時，采用大步長；

20、當(dāng)節(jié)點(diǎn)同障礙物之間的距離介于一級安全距離與二級安全距離時，采用正常步長；

21、當(dāng)節(jié)點(diǎn)同障礙物之間的距離小于一級安全距離時，采用小步長。

22、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述去除初始路徑中的冗余點(diǎn)，具體為：

23、遍歷初始路徑中的節(jié)點(diǎn)，設(shè)初始路徑中由起始點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號為1到n，則從第一個路徑節(jié)點(diǎn)開始，按順序連接路徑中的后續(xù)節(jié)點(diǎn)，如果1號與2號節(jié)點(diǎn)之間在連接時沒有與障礙物碰撞，則嘗試連接下一個節(jié)點(diǎn)，直到與第m個節(jié)點(diǎn)相連時遇到障礙物并發(fā)生碰撞，此時將1號節(jié)點(diǎn)與m-1號節(jié)點(diǎn)直接相連，并將m-1號節(jié)點(diǎn)作為新的起點(diǎn)，重復(fù)上述過程，進(jìn)行迭代直至到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；其中，1<m<n。

24、在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述去除初始路徑中的冗余點(diǎn)之后，還包括：

25、以三次b樣條曲線進(jìn)行擬合處理。

26、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種設(shè)備，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運(yùn)行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)所述的一種基于改進(jìn)rrt算法的六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法。

27、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)所述的一種基于改進(jìn)rrt算法的六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法。

28、根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種計算機(jī)程序產(chǎn)品，該計算機(jī)程序產(chǎn)品被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)所述的一種基于改進(jìn)rrt算法的六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

30、本發(fā)明提供的一種基于改進(jìn)rrt算法的六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法，通過構(gòu)造采樣限制區(qū)域并采用目標(biāo)偏置策略，引導(dǎo)隨機(jī)樹以一定概率朝著目標(biāo)點(diǎn)生長，同時將隨機(jī)樹的擴(kuò)展限制在特定區(qū)域內(nèi)。這一改進(jìn)有效解決了傳統(tǒng)rrt算法隨機(jī)性過大的問題，減少了算法在無用空間中的探索，顯著提高了路徑規(guī)劃的效率和收斂速度。傳統(tǒng)rrt算法采用固定步長進(jìn)行隨機(jī)樹的擴(kuò)展，探索效率有限。本發(fā)明通過對隨機(jī)樹的擴(kuò)展進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，充分利用環(huán)境和障礙物的信息，動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展方向和步長，從而加快節(jié)點(diǎn)的生成和擴(kuò)展速度，進(jìn)一步提升算法的探索效率。引入角度約束策略，構(gòu)造角度約束區(qū)域，確保新生成的節(jié)點(diǎn)在滿足機(jī)械臂運(yùn)動約束的條件下進(jìn)行擴(kuò)展。這一策略有效避免了傳統(tǒng)rrt算法生成的路徑曲折、拐點(diǎn)多的問題，提高了路徑的平滑性和可執(zhí)行性。傳統(tǒng)rrt算法生成的路徑通常包含大量冗余點(diǎn)和拐點(diǎn)，導(dǎo)致路徑曲折且不平滑。本發(fā)明在生成初始路徑后，通過去除冗余點(diǎn)對路徑進(jìn)行平滑優(yōu)化處理，使得最終規(guī)劃的路徑更加簡潔、平滑，確保機(jī)械臂在運(yùn)行過程中能夠平穩(wěn)、高效地完成任務(wù)。本發(fā)明通過減少隨機(jī)性、優(yōu)化路徑生成和擴(kuò)展策略，顯著降低了算法的計算復(fù)雜度，提高了路徑規(guī)劃的實(shí)時性，使得本發(fā)明能夠更好地滿足六軸工業(yè)機(jī)械臂在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)時路徑規(guī)劃需求。綜上所述，本發(fā)明通過改進(jìn)rrt算法的采樣策略、擴(kuò)展方式和路徑優(yōu)化方法，有效解決了傳統(tǒng)rrt算法隨機(jī)性大、路徑質(zhì)量差、計算效率低的問題，顯著提升了六軸工業(yè)機(jī)械臂路徑規(guī)劃的效率和路徑質(zhì)量。

31、為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。