一种使用移动机械臂结构抬起最少次数完成大型物体表面不可重复覆盖任务的方法

摘要

本发明公开了一种使用移动机械臂结构抬起最少次数完成大型物体表面不可重复覆盖任务的方法，使用搭载非冗余机械臂的移动机械臂结构完成覆盖任务，待覆盖物体在覆盖任务执行过程中保持不动，移动底盘移动并于有限多个位置停留，上述已知信息在覆盖任务执行过程中均保持不变。本发明给出了使用移动机械臂结构完成大型物体的覆盖任务的最优解法，考虑了机械臂的执行能力，且对于任意形状的物体、任意候选位置的移动机械臂均能求解，因此有效地解决了上述问题。

说明书

技术领域

本发明涉及机械臂路径规划技术，具体地说，是当待加工物体尺寸过大，不能在流水线上被加工，或没有足够大的机械臂机构进行加工的情况下，一种使用移动机械臂结构抬起最少次数完成大型物体表面不可重复覆盖任务的方法。

背景技术

物体表面的覆盖任务是工业应用中的常见任务，被广泛应用于物体表面的近距离建模、喷漆、抛光等工作中。为了满足对三维空间中一般形状的物体进行加工的需求，覆盖任务通常由机械臂完成。

一方面，机械臂的运动学问题是几十年来一直被研究的热门问题。机械臂运动学的实质是寻找机械臂的各个关节角度组成的关节空间到机械臂的末端执行器的位姿空间的映射。当机械臂中具有旋转关节时，这种映射关系是非线性的。另一方面，曲面的覆盖问题是机器人路径规划任务中的覆盖路径规划问题，针对给定的待覆盖空间，设计出一条路径，使得机器人沿着路径运行后可以经过待覆盖空间上的每一个点，在此过程中机器人视作一个质点。

在物体表面的覆盖问题中，机械臂末端安装的末端执行器沿着设定好的覆盖路径运行，即可经过物体表面的每一个点。然而，由于机械臂存在运动学约束，它不能使得末端执行器完整跟踪整条覆盖路径。在这种情况下，覆盖工作被迫中断，且机械臂需要调整其姿态来完成后续的跟踪任务。末端执行器的“脱离-重新接触”的过程需要复杂的控制策略，浪费额外的时间和能量，降低工业生产效率。

物体表面的非重复覆盖问题是物体表面覆盖问题的直接推广，因为，如果末端执行器的覆盖路径设计不合理，那么已经被执行过的覆盖路径会将尚未覆盖的区域切割为不连通的区域。这样，本来可以被末端执行器连续(不需要抬起)地覆盖的区域被切割为了多个不连通的区域，那么末端执行器必须要经历额外的抬起才能完成整个覆盖任务。

对于尺寸过大或者难以被安放于工业流水线上被加工的物体而言，其表面的覆盖任务通常会超过机械臂结构的覆盖范围而不能被加工。常规的解决方案为使用可移动的操作平台搭载机械臂执行覆盖任务。在机械臂的覆盖任务中，因为存在力矩控制等复杂的控制策略，所以在机械臂执行任务的过程中可移动平台是静止的，而不是边移动边作业。我们可以适当地选择几个移动机械臂停留的位置，并加工物体表面的不同位置，追求覆盖任务的整体最优性。工业界并无使用移动机械臂进行最少抬起次数操作任务的解决方案。对于物体表面各部分表面区域分别在何处被覆盖能够使得整个覆盖任务最优，目前仍为人工指定，不能自动求解。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种使用移动机械臂结构抬起最少次数完成大型物体表面不可重复覆盖任务的方法，在完全已知环境下对流水线上的物体的表面进行覆盖任务的方法。该方法特点为，在整个覆盖任务执行过程中，物体可以在已知流水线上给定的有限多个位置停下并被加工，在所有位置的加工过程中机械臂的末端执行器总共只需要与物体表面解除接触最少次数。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种使用移动机械臂结构抬起最少次数完成大型物体表面不可重复覆盖任务的方法，使用搭载非冗余机械臂的移动机械臂结构完成覆盖任务，机械臂的末端执行器与待覆盖物体间的接触视为点接触，待覆盖物体、移动机械臂结构、环境中的障碍物已知，移动机械臂结构包含移动底盘和机械臂，机械臂底座固定于移动底盘上，环境中的障碍物相对于待覆盖物体的位置关系已知，待覆盖物体在覆盖任务执行过程中保持不动，移动底盘移动并于有限多个位置停留，上述已知信息在覆盖任务执行过程中均保持不变。

作为进一步地改进，本发明的具体步骤如下：

步骤一、待覆盖物体表面上的所有点在物体中心坐标系中的位姿记为M，移动机械臂结构沿着相应路径中有N个位置停留并执行覆盖任务，当移动机械臂结构移动至这N个位置时，记物体表面上的点相对于移动机械臂结构的移动底盘的坐标分别为M

步骤二、对移动底盘在第i个位置停留的移动机械臂结构，在机械臂末端执行器与待覆盖物体有力接触的任务中，奇异位姿不能被使用，除去所有奇异位姿后，机械臂的关节空间被分割成了若干不相交的集合，每个集合中存储的是被机械臂连续地执行的位姿，将相同集合中的元素标注相同的编号，不同集合中的元素标注不同的编号，即给予编号(c

步骤三、将步骤二对移动机械臂结构处于所有可能位置的情况都运行一遍,则物体表面的点p在移动机械臂结构处于第i个位置时使用编号为(i，j)的可行位姿覆盖，或在物体被摆放在第i′位置处时使用编号为(i′，j′)的可行位姿覆盖。

步骤四、记点p能够被覆盖的所有可行位姿为移动机械臂结构处于所有位置时的所有编号组合的并集。

作为进一步地改进，本发明所述的方法还包括以下步骤：

步骤五、在步骤一至四中，使用移动机械臂结构在不同位置覆盖物体表面上的任一点p，可以用到的所有位姿均已经被编号，并被合并起来，从这些位姿中任意挑选一个，其编号的第一个序号就表示该点被覆盖时移动底盘所处的位置，而第二个序号表示机械臂使用的位姿。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤五中，若对物体表面上的所有点，都在其编号组合中适当选择一个，则它唯一指定了移动机械臂结构覆盖物体表面上每个点时移动底盘所处的位置以及机械臂使用的位姿，求解该问题通过以下针对固定位姿物体的机械臂覆盖任务最少抬起次数的解法，步骤具体如下：

1)、根据待覆盖物体的曲面M上的点的连通性，把具有相同编号组合、且在覆盖物体的曲面M上连通的点划分为同一个胞腔，两个胞腔之间的交界处记为一条拓扑边，每个胞腔具有唯一的编号，记为第一腔胞、第二腔胞……、第N胞腔，即为第一胞腔、第二胞腔等，每个胞腔覆盖此胞腔的不同种机械臂位姿，还按顺序存储了与之邻接的胞腔的编号；

2)、对于单连通的胞腔，用二进制数编码其所有不同的切割方式：二进制数的数字个数就是此胞腔的拓扑边个数，根据二进制数中对应数位是1还是0，0表示这条拓扑边会被保留，即拓扑边两侧的两个胞腔最终会是不同的编号，在机械臂执行时末端执行器抬起一次；1表示这条拓扑边会被删除，即拓扑边两侧的区域最终是相同的编号，在机械臂执行时被末端执行器连续、无抬起地覆盖，对于拓扑边数为1、2、3的胞腔，直接使用枚举方法获得最优解，然而，对于拓扑边数超过3的胞腔，经过分解后可能形成子胞腔，而子胞腔的拓扑边数少于原胞腔，通过递归求解出所有出现的子胞腔，获得所有可能的解，对于某一个胞腔，指定了它的分解方法后，只要在枚举过程当中出现矛盾，那么这个枚举分支就被删除：

3)根据步骤2)的求解过程，使用迭代方式求解待覆盖物体表面上机械臂的运动学模型生成的拓扑图：

3.1)对待覆盖物体表面上的第一胞腔，遍历第一胞腔的所有可能的切割方法并设置编号，即完成第一胞腔的所有解法，对所有解法中的每一个，执行步骤3.2)；

3.2)对待覆盖物体表面上的第二胞腔，遍历第二胞腔的所有可能的切割方法并设置编号，即完成第二胞腔的所有解法，将第二胞腔的所有解法与第一胞腔设定有矛盾的解删掉，对第二胞腔中剩下的可行解法中的每一个，执行步骤3.3)；

3.3)依次对待覆盖物体表面上的第三胞腔至第N胞腔执行步骤(.2)，使得每个胞腔都被设置切割方法，且每个切出的子胞腔均为唯一的编号，即获得机械臂覆盖子胞腔的方式。

作为进一步地改进，本发明所述的点接触为只要在规划具体覆盖路径时，不考虑末端执行器与待覆盖物体表面的接触面积，即认为是点接触。

作为进一步地改进，本发明所述的待覆盖物体表面的点只能被覆盖一次。

作为进一步地改进，本发明所述的机械臂的末端执行器与待覆盖物体解除接触的次数最少。

作为进一步地改进，本发明所述的步骤二中，当方法得到的最少的可行的编号组合具有的编号数量为L时，则在此覆盖任务中机械臂要经历的抬起末端执行器的次数至少为L-1次。

作为进一步地改进，本发明所述的移动机械臂结构的N个位置为任意位置，N个可停留位置并不局限在平面上，而是还可以考虑不同高度的位置，且移动机械臂的姿态不一定是水平放置，也可以是倾斜的，例如停留在某高度的斜坡上执行覆盖任务。

本发明的有益效果如下：

对于形状巨大的，或者不能被合理安放在流水线上的待加工的物体的表面覆盖任务，工业界并无成熟的解决方案。一个合理的方案是使用移动机械臂结构完成大型物体的覆盖任务。然而，确定物体表面的各部分区域分别在何处被覆盖，能够使得整个覆盖任务最优。现有解法仍为对物体表面的区域进行人工的任务划分，这种划分严重依赖于物体表面的几何外形，且并不能考虑机械臂的执行效果。例如，当物体具有两面时，直接指定移动机械臂结构处于两个位置执行覆盖任务，且每次加工只覆盖一个面。若物体的形状复杂，不具有明显的表面区域划分策略，则无法自动求解。另一方面，移动机械臂的停放位置并不是很容易找到。富有经验的工程师也需要通过随机尝试几个位置作为候选，求出在当前位置上物体表面能被覆盖的区域后，才能决定移动机械臂停留在哪几个位置上加工，能使得整体覆盖任务效果较优。最后，当物体表面过大或形状过于复杂时，单纯在平面上实现机械臂底座位置的移动可能仍然难以完成任务，例如对高压电塔表面进行刷漆处理。此时移动机械臂结构需要攀爬电塔至不同高度进行作业。本发明给出了使用移动机械臂结构完成大型物体的覆盖任务的最优解法，考虑了机械臂的执行能力，且对于任意形状的物体、任意候选位置的移动机械臂均能求解，因此有效地解决了上述问题。

具体实施方式

本发明公开了一种将可被移动机械臂结构进行加工的大型物体表面进行区域分解的方法。根据物体表面每个点在移动机械臂结构处于不同位置时的可行位姿划分区域，机械臂的末端执行器对每个区域都可以保证连续地完成覆盖，即，不需要解除末端执行器与物体表面的接触。本方法保证将物体表面只分解为最少块区域，并且对每块区域都唯一指定了它被覆盖时移动机械臂结构的摆放位置，因此保证了末端执行器在完成物体表面覆盖任务的过程中只需要抬起最少次数。

本发明公开了一种使用移动机械臂结构抬起最少次数完成大型物体表面不可重复覆盖任务的方法，使用搭载非冗余机械臂的移动机械臂结构完成覆盖任务，机械臂的末端执行器与待覆盖物体间的接触视为点接触，待覆盖物体、移动机械臂结构、环境中的障碍物已知，移动机械臂结构包含移动底盘和机械臂，机械臂底座固定于移动底盘上，环境中的障碍物相对于待覆盖物体的位置关系已知，待覆盖物体在覆盖任务执行过程中保持不动，移动底盘移动并于有限多个位置停留，上述已知信息在覆盖任务执行过程中均保持不变。物体表面的点只允许被覆盖一次，在整个覆盖任务中，机械臂的末端与物体表面解除接触的次数最少。

典型的机械臂的非冗余情形的工作场景举例如下：使用可攀爬的移动机械臂结构给高压电塔表面喷漆。

点接触是灵活的，只要在规划具体覆盖路径时，方法不考虑末端执行器与被覆盖物体表面的接触面积，即认为是点接触。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

本发明公开了一种使用移动机械臂结构抬起最少次数完成大型物体表面不可重复覆盖任务的方法，使用搭载非冗余机械臂的移动机械臂结构完成覆盖任务，机械臂的末端执行器与待覆盖物体间的接触视为点接触，待覆盖物体、移动机械臂结构、环境中的障碍物已知，移动机械臂结构包含移动底盘和机械臂，机械臂底座固定于移动底盘上，环境中的障碍物相对于待覆盖物体的位置关系已知，待覆盖物体在覆盖任务执行过程中保持不动，移动底盘移动并于有限多个位置停留，上述已知信息在覆盖任务执行过程中均保持不变。

本发明的具体步骤如下：

步骤一、待覆盖物体表面上的所有点在物体中心坐标系中的位姿记为M，移动机械臂结构沿着相应路径中有N个位置停留并执行覆盖任务，当移动机械臂结构移动至这N个位置时，记物体表面上的点相对于移动机械臂结构的移动底盘的坐标分别为M

步骤二、对移动底盘在第i个位置停留的移动机械臂结构，在机械臂末端执行器与待覆盖物体有力接触的任务中，奇异位姿不能被使用，除去所有奇异位姿后，机械臂的关节空间被分割成了若干不相交的集合，每个集合中存储的是被机械臂连续地执行的位姿，将相同集合中的元素标注相同的编号，不同集合中的元素标注不同的编号，即给予编号(c

步骤三、将步骤二对移动机械臂结构处于所有可能位置的情况都运行一遍,则物体表面的点p在移动机械臂结构处于第i个位置时使用编号为(i，j)的可行位姿覆盖，或在物体被摆放在第i′位置处时使用编号为(i′，j′)的可行位姿覆盖。

步骤四、记点p能够被覆盖的所有可行位姿为移动机械臂结构处于所有位置时的所有编号组合的并集。

作为进一步地改进，本发明所述的方法还包括以下步骤：

步骤五、在步骤一至四中，使用移动机械臂结构在不同位置覆盖物体表面上的任一点p，可以用到的所有位姿均已经被编号，并被合并起来，从这些位姿中任意挑选一个，其编号的第一个序号就表示该点被覆盖时移动底盘所处的位置，而第二个序号表示机械臂使用的位姿，若对物体表面上的所有点，都在其编号组合中适当选择一个，则它唯一指定了移动机械臂结构覆盖物体表面上每个点时移动底盘所处的位置以及机械臂使用的位姿，求解该问题通过以下针对固定位姿物体的机械臂覆盖任务最少抬起次数的解法，步骤具体如下：

1)、根据待覆盖物体的曲面M上的点的连通性，把具有相同编号组合、且在覆盖物体的曲面M上连通的点划分为同一个胞腔，两个胞腔之间的交界处记为一条拓扑边，每个胞腔具有唯一的编号，记为第一腔胞、第二腔胞……、第N胞腔，即为第一胞腔、第二胞腔等，每个胞腔覆盖此胞腔的不同种机械臂位姿，还按顺序存储了与之邻接的胞腔的编号；

2)、对于单连通的胞腔，用二进制数编码其所有不同的切割方式：二进制数的数字个数就是此胞腔的拓扑边个数，根据二进制数中对应数位是1还是0，0表示这条拓扑边会被保留，即拓扑边两侧的两个胞腔最终会是不同的编号，在机械臂执行时末端执行器抬起一次；1表示这条拓扑边会被删除，即拓扑边两侧的区域最终是相同的编号，在机械臂执行时被末端执行器连续、无抬起地覆盖，对于拓扑边数为1、2、3的胞腔，直接使用枚举方法获得最优解，然而，对于拓扑边数超过3的胞腔，经过分解后可能形成子胞腔，而子胞腔的拓扑边数少于原胞腔，通过递归求解出所有出现的子胞腔，获得所有可能的解，对于某一个胞腔，指定了它的分解方法后，只要在枚举过程当中出现矛盾，那么这个枚举分支就被删除：

3)根据步骤2)的求解过程，使用迭代方式求解待覆盖物体表面上机械臂的运动学模型生成的拓扑图：

3.1)对待覆盖物体表面上的第一胞腔，遍历第一胞腔的所有可能的切割方法并设置编号，即完成第一胞腔的所有解法，对所有解法中的每一个，执行步骤3.2)；

3.2)对待覆盖物体表面上的第二胞腔，遍历第二胞腔的所有可能的切割方法并设置编号，即完成第二胞腔的所有解法，将第二胞腔的所有解法与第一胞腔设定有矛盾的解删掉，对第二胞腔中剩下的可行解法中的每一个，执行步骤3.3)；

3.3)依次对待覆盖物体表面上的第三胞腔至第N胞腔执行步骤(.2)，使得每个胞腔都被设置切割方法，且每个切出的子胞腔均为唯一的编号，即获得机械臂覆盖子胞腔的方式。

作为进一步地改进，本发明所述的点接触为只要在规划具体覆盖路径时，不考虑末端执行器与待覆盖物体表面的接触面积，即认为是点接触。

待覆盖物体表面的点只能被覆盖一次；机械臂的末端执行器与待覆盖物体解除接触的次数最少。

步骤二中，当方法得到的最少的可行的编号组合具有的编号数量为L时，则在此覆盖任务中机械臂要经历的抬起末端执行器的次数至少为L-1次。

本发明所述的移动机械臂结构的N个位置为任意位置，N个可停留位置并不局限在平面上，而是还可以考虑不同高度的位置，且移动机械臂的姿态不一定是水平放置，也可以是倾斜的，例如停留在某高度的斜坡上执行覆盖任务。

最后，还需要注意的是本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。