本發(fā)明涉及機械臂領域，具體為一種機械臂路徑規(guī)劃方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、在現(xiàn)代工業(yè)自動化中，機械臂作為重要的執(zhí)行工具，廣泛應用于制造、裝配、焊接、搬運等領域。為了實現(xiàn)高效、精確的作業(yè)，機械臂路徑規(guī)劃（robot?arm?path?planning）技術成為了關鍵研究方向。路徑規(guī)劃的核心任務是在滿足機械臂運動學約束、動態(tài)約束的前提下，找到從初始位置到目標位置的最優(yōu)路徑。這個過程需要考慮機械臂在工作空間中的避障要求、作業(yè)任務的時效性以及能耗等多種因素。同時，隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進，柔性生產(chǎn)的需求增加，機械臂的路徑規(guī)劃技術必須更加靈活和智能，以應對復雜、多變的工作環(huán)境。因此，如何實現(xiàn)機械臂的智能、高效、安全的路徑規(guī)劃，成為了工業(yè)機器人領域中的重要課題。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了?一種機械臂路徑規(guī)劃方法，所述方法包括以下步驟：

2、獲取機械臂的起始位置和目標位置，初始化一棵樹，根節(jié)點為所述起始位置，樹的節(jié)點集初始為所述起始位置；在機械臂的工作空間隨機生成一個采樣點，找到與采樣點最近的節(jié)點，將所述最近的節(jié)點沿著采樣點的方向延伸預設距離得到新節(jié)點；

3、基于默認鄰域半徑內(nèi)障礙物分布和節(jié)點密度確定新節(jié)點的鄰域半徑，在所述鄰域半徑的范圍內(nèi)找到使得新節(jié)點到達起始位置代價最小的父節(jié)點，將新節(jié)點加入到節(jié)點集中；并對于所述鄰域半徑的范圍內(nèi)的節(jié)點，將新節(jié)點作為父節(jié)點后，如果代價降低，則將節(jié)點的父節(jié)點修改為所述新節(jié)點；

4、當滿足迭代終止條件時，輸出多個可達路徑，對多個可達路徑進行優(yōu)化，從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑。

5、優(yōu)選地，所述基于默認鄰域半徑內(nèi)障礙物分布和節(jié)點密度確定新節(jié)點的鄰域半徑，具體為：

6、計算在默認鄰域半徑的范圍內(nèi)，障礙物在所述范圍內(nèi)的占比，并計算在所述范圍內(nèi)節(jié)點密度；

7、基于所述占比和所述節(jié)點密度確定新節(jié)點的鄰域半徑。

8、優(yōu)選地，所述對多個可達路徑進行優(yōu)化，具體為：

9、對于每個可達路徑，找到距離當前節(jié)點最遠且和當前節(jié)點的連線沒有與障礙物碰撞的節(jié)點，從所述可達路徑的節(jié)點集合中刪除當前節(jié)點到與當前節(jié)點連續(xù)的節(jié)點之間的節(jié)點，更新節(jié)點集合，在更新后的節(jié)點集合中從當前節(jié)點的下一個節(jié)點開始重復上面操作，直到節(jié)點集合的最后一個節(jié)點；

10、找到每個可達路徑中所有相鄰兩個節(jié)點構成的線段，判斷線段與障礙物的距離小于閾值的區(qū)域，沿著與所述線段垂直的方向，確定一個到障礙物的距離等于所述閾值的點，在所述節(jié)點集合的所述線段的兩個端點節(jié)點之間插入確定的點；在插入確定的點后更新節(jié)點集合，重復上述操作，直到所有線段不存到障礙物的距離小于閾值的區(qū)域。

11、優(yōu)選地，所述從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑，具體為：

12、計算起始位置和目標位置之間的直線距離，獲取優(yōu)化后路線長度，將所述路線長度和所述直線距離的比值作為優(yōu)化后路線的繞行程度；

13、計算優(yōu)化后路徑中所有相鄰線段之間的夾角的平均值，將所述平均值與2?的比值作為優(yōu)化后路線的平滑度；

14、基于所述繞行程度和平滑度從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑。

15、優(yōu)選地，所述基于所述繞行程度和平滑度從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑，具體為：

16、計算平滑度與繞行程度的比值，按照所述比值從大到小的順序?qū)?yōu)化后的路徑進行排序，將排序后的第一個路徑作為目標路徑。

17、第二個方面，本發(fā)明提供了一種機械臂路徑規(guī)劃系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括以下模塊：

18、新節(jié)點生成模塊，用于獲取機械臂的起始位置和目標位置，初始化一棵樹，根節(jié)點為所述起始位置，樹的節(jié)點集初始為所述起始位置；在機械臂的工作空間隨機生成一個采樣點，找到與采樣點最近的節(jié)點，將所述最近的節(jié)點沿著采樣點的方向延伸預設距離得到新節(jié)點；

19、優(yōu)化模塊，用于基于默認鄰域半徑內(nèi)障礙物分布和節(jié)點密度確定新節(jié)點的鄰域半徑，在所述鄰域半徑的范圍內(nèi)找到使得新節(jié)點到達起始位置代價最小的父節(jié)點，將新節(jié)點加入到節(jié)點集中；并對于所述鄰域半徑的范圍內(nèi)的節(jié)點，將新節(jié)點作為父節(jié)點后，如果代價降低，則將節(jié)點的父節(jié)點修改為所述新節(jié)點；

20、最優(yōu)路徑確定模塊，用于當滿足迭代終止條件時，輸出多個可達路徑，對多個可達路徑進行優(yōu)化，從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑。

21、優(yōu)選地，所述基于默認鄰域半徑內(nèi)障礙物分布和節(jié)點密度確定新節(jié)點的鄰域半徑，具體為：

22、計算在默認鄰域半徑的范圍內(nèi)，障礙物在所述范圍內(nèi)的占比，并計算在所述范圍內(nèi)節(jié)點密度；

23、基于所述占比和所述節(jié)點密度確定新節(jié)點的鄰域半徑。

24、優(yōu)選地，所述對多個可達路徑進行優(yōu)化，具體為：

25、對于每個可達路徑，找到距離當前節(jié)點最遠且和當前節(jié)點的連線沒有與障礙物碰撞的節(jié)點，從所述可達路徑的節(jié)點集合中刪除當前節(jié)點到與當前節(jié)點連續(xù)的節(jié)點之間的節(jié)點，更新節(jié)點集合，在更新后的節(jié)點集合中從當前節(jié)點的下一個節(jié)點開始重復上面操作，直到節(jié)點集合的最后一個節(jié)點；

26、找到每個可達路徑中所有相鄰兩個節(jié)點構成的線段，判斷線段與障礙物的距離小于閾值的區(qū)域，沿著與所述線段垂直的方向，確定一個到障礙物的距離等于所述閾值的點，在所述節(jié)點集合的所述線段的兩個端點節(jié)點之間插入確定的點；在插入確定的點后更新節(jié)點集合，重復上述操作，直到所有線段不存到障礙物的距離小于閾值的區(qū)域。

27、優(yōu)選地，所述從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑，具體為：

28、計算起始位置和目標位置之間的直線距離，獲取優(yōu)化后路線長度，將所述路線長度和所述直線距離的比值作為優(yōu)化后路線的繞行程度；

29、計算優(yōu)化后路徑中所有相鄰線段之間的夾角的平均值，將所述平均值與2?的比值作為優(yōu)化后路線的平滑度；

30、基于所述繞行程度和平滑度從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑。

31、優(yōu)選地，所述基于所述繞行程度和平滑度從優(yōu)化后的路徑中確定目標路徑，具體為：

32、計算平滑度與繞行程度的比值，按照所述比值從大到小的順序?qū)?yōu)化后的路徑進行排序，將排序后的第一個路徑作為目標路徑。

33、此外，本發(fā)明還提供了一種計算機設備，所述計算機設備至少包括存儲器和處理器，在所述存儲器上存儲有計算機程序，所述計算機程序在被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如第一個方面所述的方法。

34、另外，本發(fā)明提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述可讀存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序在被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如第一個方面所述的方法。

35、本發(fā)明對路徑規(guī)劃中新節(jié)點的鄰域半徑進行改進，在節(jié)點分布稀疏的區(qū)域能夠增大鄰域半徑，提高參與節(jié)點優(yōu)化的節(jié)點數(shù)，而對于節(jié)點密集的區(qū)域，降低鄰域半徑，減少系統(tǒng)開銷，同樣地，對于障礙物密集的區(qū)域，減小鄰域半徑，能夠顯著減少碰撞檢測的計算開銷。此外，本發(fā)明還對得到路徑進一步篩選，根據(jù)路徑的長度和平滑度找到最適合機械臂的路徑。