一种基于动态干涉区约束的多机器人无冲突路径规划的方法

本发明涉及工艺机器人的运动规划领域，尤其涉及一种基于动态干涉区约束的多机器人无冲突路径规划的方法。

背景技术：

1、在柔性制造车间，多机器人路径规划是保证系统任务完成和提高运行效率的关键。基于车间环境，为多机器人规划出一条无冲突的路径，可以有效减少机器人执行任务的时间，提高机器人系统整体运行效率。目前，erdmann等提出先将第一个机器人在整个形位空间搜索无碰撞路径，而后第二个机器人在搜索路径时，会将第一个机器人在时间空间的位置视为障碍物进行搜索，如此依次确定机器人无碰路径。然而，现阶段大多数研究在解决多机冲突问题的过程中往往假设机器人优先级固定，由此可能造成低优先级的机器人长时间等待，造成空间堵塞。针对上述问题，本文提出一种基于干涉区约束的多机器人协调规划方法，减少机器人停机等待时间，降低搜索的复杂度和搜索时间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种基于干涉区约束的多机器人协调规划方法。该方法适用于各种工业现场，同时，针对现有技术的不足，从时间控制和空间资源两个方向对轨迹规划进行了改进，改进后的方法降低了求解复杂度和规划时间。

2、为达到上述目的，本发明提出一种基于动态干涉区约束的多机器人无冲突路径规划的方法，包括以下步骤：

3、s101：基于旅行商问题的求解思想对每个机器人给定的任务集进行次序优化；

4、s102：在忽略机器人之间冲突的前提下，基于rrt算法实现每个机器人的无冲突路径规划并确定机器人运动时间；

5、s103：根据s101，s102所规划的机器人轨迹确定机器人的运动包络体，进一步确定机器人间重叠区域并将其设置为干涉区；

6、s104：基于时间约束对干涉区内发生冲突的机器人设置动态优先级，并基于等间隔最小包围盒半径方法对机器人轨迹进行包络化处理；

7、s105：对于新产生的机器人环境，基于rrt算法对优先级高的机器人进行规划，若无法规划得到一条可行的轨迹，则转到s106；

8、s106：为了消除s105中重规划策略无法消除机器人间冲突的现象，基于停机等待的策略确定优先级低的机器人在干涉区外停机等待的时间，重复s104-s106，直到消除所有机器人之间的冲突为止。

9、进一步的，s103根据s101，s102所规划的机器人路径，确定机器人各个关节的坐标值，计算两机器人在空间中的重叠区域，即两机器人的干涉区；r1机器人在各轴上的极小值为(xr1，yr1，zr1)，r2机器人在各轴上的极大值为(xr2，yr2，zr2)。若xr2＜xr1，yr2＜yr1，zr2＜zr1；则r1，r2机器人的干涉区表示为

10、进一步的，在s104中，采用移动包围盒将机器人轨迹障碍物化，基于s103划分的干涉区，确定此时位于干涉空间的机器人的运动轨迹；同时，基于动态优先级策略，采用机器人运动时间越长机器人优先级越高的规则对干涉区内的机器人优先级进行排序；将优先级高的机器人的轨迹包络化；为了形成一个完整的障碍物区域，基于等间隔方式对机器人轨迹进行包络化处理；基于最小包围盒半径对机器人运动轨迹进行包络，保证障碍物的完备性。

11、进一步的，基于s105单机器人轨迹规划结果，判断是否存在某段轨迹结果处于干涉区内，若相邻机器人均存在于冲突空间，采用动态碰撞检测确定相邻机器人是否发生冲突；若发生冲突，基于动态优先级将其中一个机器人轨迹障碍物化，重新对另一机器人局部轨迹进行规划。

12、进一步的，发生冲突的情况下，多机器人的轨迹规划步骤如下：

13、1)基于动态碰撞检测算法确定机器人间是否发生冲突，若发生冲突则执行步骤2)，否则输出各个机器人的分配空间；

14、2)确定相邻机器人在相交空间内的特征以及机器人的工作时间；

15、3)比较相邻机器人工作时间，并将工作时间长的机器人所占空间进行障碍物化，在满足短时间机器人工艺规范的前提下，基于rrt算法对另一台机器人在相交空间内的轨迹重新进行规划；

16、4)重新确定多机器人所占空间，执行步骤1)。

17、进一步的，对于s105中重规划的结果无法消除机器人间冲突的现象，确定动态优先级高的机器人进入干涉区的时间t0，同时确定动态优先级高的机器人通过干涉区的时间t1，最终确定优先级低的机器人在干涉区外停机等待的时间δt＝t1-t0；重复步骤s104-s106，基于上述障碍物化机器人轨迹重规划策略和干涉区外动态等待相结合，消除所有机器人之间的冲突。

18、与现有技术相比，本发明的优势之处在于：基于干涉区约束，融合空间分割和动态优先级两大策略，对多机器人进行了协调规划。具体包括干涉区的确定，机器人工作空间的分割，机器人动态优先级的确定以及机器人间的协调策略等步骤，实现了高维复杂空间多机轨迹协调规划，提高了协调效率，降低了机器人运动时间。本发明利用单机器人运动关节在空间中极值确定机器人间干涉区；利用最小包围盒半径实现机器人轨迹障碍物化，并利用rrt实现机器人局部路径规划，对于重规划失效的机器人间冲突，利用干涉区确定动态优先级低的机器人停机等待时间，从而消除机器人间冲突。

技术特征：

1.一种基于动态干涉区约束的多机器人无冲突路径规划的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于动态干涉区约束的多机器人无冲突路径规划的方法，其特征在于，s103根据s101，s102所规划的机器人路径，确定机器人各个关节的坐标值，计算两机器人在空间中的重叠区域，即两机器人的干涉区；r1机器人在各轴上的极小值为(xr1,yr1,zr1)，r2机器人在各轴上的极大值为(xr2,yr2,zr2)。若xr2<xr1,yr2<yr1,zr2<zr1；则r1，r2机器人的干涉区表示为

3.根据权利要求2所述的基于动态干涉区约束的多机器人无冲突路径规划的方法，其特征在于，在s104中，采用移动包围盒将机器人轨迹障碍物化，基于s103划分的干涉区，确定此时位于干涉空间的机器人的运动轨迹；同时，基于动态优先级策略，采用机器人运动时间越长机器人优先级越高的规则对干涉区内的机器人优先级进行排序；将优先级高的机器人的轨迹包络化；为了形成一个完整的障碍物区域，基于等间隔方式对机器人轨迹进行包络化处理；基于最小包围盒半径对机器人运动轨迹进行包络，保证障碍物的完备性。

4.根据权利要求3所述的基于干涉区约束的多机器人协调规划方法，其特征在于，基于s105单机器人轨迹规划结果，判断是否存在某段轨迹结果处于干涉区内，若相邻机器人均存在于冲突空间，采用动态碰撞检测确定相邻机器人是否发生冲突；若发生冲突，基于动态优先级将其中一个机器人轨迹障碍物化，重新对另一机器人局部轨迹进行规划。

5.根据权利要求4所述的基于干涉区约束的多机器人协调规划方法，其特征在于，发生冲突的情况下，多机器人的轨迹规划步骤如下：

6.根据权利要求4所述的基于干涉区约束的多机器人协调规划方法，其特征在于，对于s105中重规划的结果无法消除机器人间冲突的现象，确定动态优先级高的机器人进入干涉区的时间t0，同时确定动态优先级高的机器人通过干涉区的时间t1，最终确定优先级低的机器人在干涉区外停机等待的时间δt＝t1-t0；重复步骤s104-s106，基于上述障碍物化机器人轨迹重规划策略和干涉区外动态等待相结合，消除所有机器人之间的冲突。

技术总结
本发明提出一种基于动态干涉区约束的多机器人无冲突路径规划的方法，基于机器人预规划轨迹确定机器人各个关节的在空间中的重叠区域，实现机器人最小干涉区提取。在多机器人动态优先级确定基础上，通过对高优先级机器人运动轨迹的包络空间分割，实现机器人空间轨迹的障碍物化处理，同时采用RRT算法实现优先级低的机器人路径重规划。针对重规划失效的情景，本发明进一步基于停机等待的策略确定优先级低的机器人在干涉区外停机等待的时间，最终消除机器人间冲突。本发明将机器人动态重规划和干涉区外等待的协调策略相结合实现了高维复杂空间内多机器人轨迹协调规划，从而解决多机器人间“死锁“现象，提高协调规划效率，降低了机器人运动时间。

技术研发人员：刘银华,赵文政,王雪琪
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12