文献阅读—— Real-Time Obstacle Avoidance for Manipulators and Mo...
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发布时间：2024-10-23 23:13
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时间：2024-11-04 13:51
一、操作空间公式
操作空间中的坐标系描述了末端执行器的位置与方向，对于非冗余机械臂，这些参数在操作空间的特定域内形成一组配置参数，构成广义坐标系。机械臂的动能基于广义速度的二次形式，通过拉格朗日形式给出末端效应运动方程，其中考虑了重力势能和操作力矢量，以及离心力和科里奥利力。操作空间中的控制基于选择控制向量，需将其转化为关节空间，使用雅可比矩阵完成这一过程。通过解耦端执行器命令向量，实现操作空间中末端执行器的独立运动控制。
二、人工势场的计算方法
机械臂在人工势场中移动，通过构建引力场引导末端执行器向目标位置移动，同时通过斥力场避免与障碍物接触。面对单一障碍物时，通过调整控制向量，实现末端执行器的避障行为。利用拉格朗日方程与解耦端执行器命令，通过人工势场Uo(x)设计，构建出综合引力与排斥力的势能表达式，确保系统的稳定性和渐近稳定性。
三、避障势场设计
设计避障势场Uo(x)需满足稳定性条件，并在障碍物表面创建势能区域，阻止执行器与障碍物接触。Uo(x)需为非负连续可微函数，当接近障碍物表面时，其值趋于无穷大，以限制势场的影响范围，避免超出障碍物附近的不良扰动。采用解析方程f(x)=0来描述障碍物，以实现势场的实时计算。对于非对称障碍物，采用到障碍物最短距离的方法构建势场，确保系统的通用性和稳定性。
四、力从表面引起人工排斥场函数Uo(x)
设计人工排斥场Uo(x)时，需确保其满足连续性和可微性，且在障碍物表面外的效应减弱，避免不必要的扰动。通过解析方程描述障碍物，实现势场的实时计算，简化计算过程，同时确保控制策略的有效性。对于非对称障碍物，采用到障碍物最短距离的方法构建势场，以适应不同形状的障碍物。
五、障碍物的几何建模
障碍物通过基元组合描述，包括点、线、平面、椭球体等几何形状。采用解析方程来描述障碍物几何模型，通过近似方法简化计算，实现势场与障碍物的交互。不同基元的解析描述满足到障碍物最短距离的连续性和可微性要求，简化距离评估过程。
六、机器人障碍方法
通过势场叠加特性控制机械臂相对于障碍物的运动，实现多障碍物环境下的实时避障。针对不同障碍物控制机械臂的多个点，通过关节力矢量综合实现整体避障策略。人工势场方法适用于移动障碍物环境，保持机构的稳定性。
七、关节限制避障
利用势场法满足机械臂内部关节约束，通过创建势场包含关节边界，实现避障策略的同时考虑关节限制。关节作用力通过势场影响距离上下限定义，确保避障行为与关节约束兼容。
八、方法特点与应用
该方法适用于复杂环境中的实时控制任务，具备局部极小值问题，可能导致机器人提前稳定在非目标位置。然而，通过连接势场的绝对极小值可以实现无碰撞路径的寻找，实现避障策略的有效性。这种方法在实时控制应用中已实现，验证了连杆和移动障碍物的实时避碰能力。
九、实时控制架构
结合操作空间方法与人工势场概念，构建了一个两层控制器架构，实现了末端执行器动态参数的解耦控制。通过快速评估系数和位置估计集成降低计算速率，实现低级控制与高级规划的集成，提高机器人控制系统的实时性能。
十、总结与应用
此方法在操作空间控制实验机械手编程系统中实现，展示了实时避障机制的有效性。通过结合伺服控制与系数评估，实现了连杆和移动障碍物的实时避障，适用于移动避障、抓取操作中的碰撞避免以及多机械臂或多指手系统的避障问题。
