Cooperative Path Planning of Dual-arm Robot Based on Attractive Force Self-adaptive Step Size RRT
-
摘要: 快速扩展随机树(RRT)方法的步长确定过分依赖于程序调试,而且固定的步长会导致碰撞检测失效问题.针对此问题,本文提出一种适用于双臂机器人协同路径规划的引力自适应步长RRT.首先,通过建立构型空间与工作空间的步长范数不等式,对双臂机器人在工作空间中所产生的步长进行约束,进而确保实现有效的碰撞检测;然后,提出随机树被动生长方法,在保证双臂机器人协同运动的基础上,降低规划空间的维度.最后,在随机树的节点处引入引力函数,加快算法的融合速度.仿真结果表明,引力自适应步长RRT方法可对工作空间中的步长进行有效约束,确保算法碰撞检测的有效性.在无碰撞的前提下,引力自适应步长RRT方法相比于其他算法减少了迭代次数,降低了运行时间并缩短了路径长度.将所提算法应用于双臂机器人的样机实验,结果表明双臂机器人可在保持位置协同的前提下,完成避障运动,验证了算法的可行性.Abstract: In the RRT (rapidly-exploring random tree) method, the determination of the step size depends too much on program debugging, and collision detection failure may occur due to the fixed step size. For this problem, an attractive adaptive step size RRT for cooperative path planning of the dual-arm robot is proposed. Firstly, the step size norm inequality between the configuration space and the workspace is established to constrain the step size generated by the dual-arm robot in the workspace, and thus the effective collision detection is guaranteed. Then, a passive growth method of random tree is proposed to reduce the dimension of planning space while ensuring cooperative motion of the dual-arm robot. Finally, the attractive force function is introduced at the nodes of the random tree to speed up the fusion of the algorithm. The simulation results show that the attractive force self-adaptive step size RRT method can constrain the step size in the workspace effectively to ensure the effectiveness of collision detection. On the premise of no collision, the attractive adaptive step size RRT method reduces the number of iterations, the running time and the path length compared with other algorithms. The proposed algorithm is applied to the prototype experiment of the dual-arm robot. The experiment results show that the dual-arm robot can complete the obstacle avoidance motion on the premise of maintaining the position coordination, which verifies the effectiveness of the algorithm.
-
-
[1] 欧阳帆.双机器人协调运动方法的研究[D].广州:华南理工大学,2013. Ouyang F. Research on coordinated motion of dual robots[D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2013. [2] 张瑞星,李秀娟,高唤.双焊接机器人协同路径规划研究[J].组合机床与自动化加工技术,2019(6):81-85. Zhang R X, Li X J, Gao H. Research on cooperative path planning of double welding robot[J]. Modular Machine Tool and Automatic Manufacturing Technique, 2019(6):81-85.
[3] Peng Y C, Carabis D S, Wen J T. Collaborative manipulation with multiple dual-arm robots under human guidance[J]. International Journal of Intelligent Robotics and Applications, 2018, 2(2):252-266.
[4] 谢生良,刘祚时.双臂机器人工作空间的分析与仿真[J].机械传动,2018,42(6):139-143. Xie S L, Liu Z S. Analysis and simulation of workspace of dual-arm robot[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2018, 42(6):139-143.
[5] Andreas V, Knut G. An optimization-based approach to dual-arm motion planning with closed kinematics[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Piscataway, USA:IEEE, 2018:8346-8351.
[6] Sanchez G, Latombe J C. Using a PRM planner to compare centralized and decoupled planning for multi-robot systems[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, USA:IEEE, 2002:2112-2119.
[7] Lim S J, Han C S. Operational space path planning of the dual-arm robot for the assembly task[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2014, 15(10):2071-2075.
[8] Steven B, Wasif N, Stuart F. Improved APF strategies for dual-arm local motion planning[J]. Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2015, 37(1):73-90.
[9] LaValle S M. Rapidly-exploring random trees:A new tool for path planning[R]. Ames, USA:Computer Science Department, Iowa State University, 1998.
[10] Karaman S, Frazzoli E. Sampling-based algorithms for optimal motion planning[J]. International Journal of Robotics Research, 2011, 30(7):846-894.
[11] Kuffner J, LaValle S M. RRT-connect:An efficient approach to single-query path planning[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway, USA:IEEE, 2000:995-1001.
[12] 王坤,黄勃,曾国辉,等.基于改进RRT-Connect的快速路径规划算法[J].武汉大学学报,2019,65(3):283-289. Wang K, Huang B, Zeng G H, et al. Faster path planning based on improved RRT-Connect algorithm[J]. Journal of Wuhan University, 2019, 65(3):283-289.
[13] 莫栋成,刘国栋.改进的RRT-connect双足机器人路径规划算法[J].计算机应用,2013,33(8):2289-2292. Mo D C, Liu G D. Improved RRT-connect path planning algorithm for biped robot[J]. Journal of Computer Applications, 2013, 33(8):2289-2292.
[14] 王维,李焱.基于RRT的虚拟人双臂操控规划方法[J].系统仿真学报,2009,21(20):6515-6518. Wang W, Li Y. RRT-based manipulation planning method for both arms of virtual human[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(20):6515-6518.
[15] 杜爽,尚伟伟,刘坤,等.基于双向RRT算法的仿人机器人抓取操作[J].中国科学技术大学学报,2016,46(1):12-20. Du S, Shang W W, Liu K, et al. Bidirectional RRT algorithm based grasping manipulation of humanoid robots[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2016, 46(1):12-20.
[16] Kim D H, Lim S J, Lee D H, et al. A RRT-based motion planning of dual-arm robot for (Dis) assembly tasks[C]//IEEE Conference on Intelligence and Safety for Robotics. Piscataway, USA:IEEE, 2013:6pp.
[17] Chen P F, Zhao H, Zhao X, et al. Dimensionality reduction for motion planning of dual-arm robots[C]//IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Piscataway, USA:IEEE, 2018:718-723.
[18] 刘成菊,韩俊强,安康.基于改进RRT算法的RoboCup机器人动态路径规划[J].机器人,2017,39(1):8-15. Liu C J, Han J Q, An K. Dynamic path planning based on an improved RRT algorithm for RoboCup robot[J]. Robot, 2017, 39(1):8-15.
[19] Hao J, Zhang Y K, Wang J Z, et al. Path planning of industrial robot based on improved RRT algorithm in complex environments[J]. IEEE Access, 2018(6):53296-53306.
[20] 申浩宇,吴洪涛,陈柏,等.冗余度双臂机器人协调避障算法[J]. 农业机械学报,2015,46(9):356-361. Shen H Y, Wu H T, Chen B, et al. Obstacle avoidance algorithm for coordinated motion of redundant dual-arm robot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery. 2015, 46(9):356-361.
[21] Wang H X, Li R F, Gao Y F, et al. Comparative study on the redundancy of mobile single and dual-arm robots[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2016, 13(6):1-19.
[22] 李洋,徐达,周诚.基于自适应步长RRT的双机器人协同路径规划[J].农业机械学报,2019,50(3):358-367. Li Y, Xu D, Zhou C. Cooperation path planning of dual-robot based on self-adaptive stepsize RRT[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery. 2019, 50(3):358-367.
[23] Zang X Z, Yu W T, Zhang L, et al. Path planning based on Bi-RRT algorithm for redundant manipulator[C]//International Conference on Electrical, Automation and Mechanical Engineering. Paris, France:Atlantis-Press, 2015:189-191.
[24] An B, Kim J, Park C. An adaptive step size RRT planning algorithm for open-chain robots[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2018, 3(1):312-319.
-
期刊类型引用(38)
1. 吴波,闫红雨,孙霄伟,胡益菲. 基于DWA算法的配网作业机器人避障路径规划. 机械与电子. 2024(01): 53-57 . 百度学术
2. 李博,孔令云,毛东宸,李明科. 基于ROS的双臂机器人的协同控制路径规划研究. 电子制作. 2024(01): 52-55 . 百度学术
3. 牛秦玉,高乐乐,闫朋朋. 改进RRT算法的全向机器人路径规划. 计算机仿真. 2024(01): 473-478+507 . 百度学术
4. 王国安,姜春英,陶广宏,叶长龙. 基于稀疏节点与双向插值的RRT~*改进算法. 机床与液压. 2024(05): 29-36 . 百度学术
5. 栾庆磊,郭继智,屈紫浩,史艳琼,陈中. 改进RRT算法的机械臂路径规划. 组合机床与自动化加工技术. 2024(05): 60-64+70 . 百度学术
6. 陈丹,谭钦,徐哲壮. 基于采样点优化RRT算法的机械臂路径规划. 控制与决策. 2024(08): 2597-2604 . 百度学术
7. 陈师宽,罗汉武,李文震,陶鑫,宋屹峰,吕鹏. 超冗余柔性臂在狭小空间内改进RRT算法轨迹规划. 计算机测量与控制. 2024(07): 294-300 . 百度学术
8. 谢宗武,马博宇,孙万东,杨晓航,姬一明,谢光虎. 基于元启发式优化的机器人智能体无碰撞轨迹规划. 载人航天. 2024(04): 510-515 . 百度学术
9. 张延军,张朋琳,马创创,郭栋梁,韩雨,陈博. 基于KNN-RRT~*的机械臂运动路径规划算法. 组合机床与自动化加工技术. 2024(11): 28-33 . 百度学术
10. 刘玉炜,王义娜,杨俊友. 基于蚁群-双向RRT节点剔除的机械臂路径规划方法. 机器人技术与应用. 2024(06): 20-27 . 百度学术
11. 刘亚飞,刘放,董蓉,吴宝宁,聂少卿. 基于范数自适应步长RRT算法的机械臂路径规划. 机械传动. 2024(12): 82-86 . 百度学术
12. 刘春,罗继祥. 用于三维空间避障的HDCS-RRT~*算法机械臂运动规划研究. 机械科学与技术. 2024(12): 2105-2113 . 百度学术
13. 王红莉,向国菲,朱雨琪,佃松宜. 基于PS-RRT算法的机械臂避障路径规划. 计算机应用研究. 2023(01): 42-46 . 百度学术
14. 柏维华,许行之. 基于改进RRT算法的空间机械臂避障路径规划. 组合机床与自动化加工技术. 2023(02): 18-22+27 . 百度学术
15. 蔡鹏,岳晓奎. 基于HS-RRV算法的空间机械臂在轨装配运动规划. 机器人. 2023(02): 166-178 . 本站查看
16. 赵代先,谷侃锋. 基于警戒机制的RRT无碰撞双路径规划算法. 组合机床与自动化加工技术. 2023(04): 1-4+9 . 百度学术
17. 双丰,刘旭兀,李少东,刘熹,陈明岐. 基于GPF-RRT~*的机械臂自主运动规划. 计算机集成制造系统. 2023(04): 1174-1185 . 百度学术
18. 宋勇 ,张蕾 ,田荣 ,王晓华 . 复杂多场景下机械臂避障运动规划方法研究. 西北工业大学学报. 2023(03): 500-509 . 百度学术
19. 刘文倩,单梁,王志强,吴志强,戚志东,李军. 机械臂的位姿分离求逆和改进RRT-connect算法研究. 控制工程. 2023(11): 2100-2107 . 百度学术
20. 迟海波. 基于串并联变换的多机械臂矸石分拣系统. 煤矿安全. 2023(12): 239-245 . 百度学术
21. 骆海涛,孙嘉泽,高鹏宇,曾德生,李家成. 基于改进RRT~*算法的智能轮椅全局路径规划研究. 仪器仪表学报. 2023(10): 303-313 . 百度学术
22. 黄骏,朱强. 基于蚁群粒子群融合的多机器人协同路径规划算法. 辽东学院学报(自然科学版). 2023(04): 298-304 . 百度学术
23. 王鑫,袁庆霓,江涛,施辉城,孙睿彤,白欢,衣君辉. 改进RRT-人工势场法的机械臂堆垛运动方法. 计算机技术与发展. 2022(02): 26-31 . 百度学术
24. 卢成阳,王文格. 复杂城市环境下无人机三维路径规划. 计算机系统应用. 2022(05): 184-194 . 百度学术
25. 郝建豹,蔡文贤. 双臂SCARA机器人运动学分析与仿真. 机械研究与应用. 2022(02): 9-12 . 百度学术
26. 王怀震,高明,王建华,房立金,李洪生. 基于改进RRT~*-Connect算法的机械臂多场景运动规划. 农业机械学报. 2022(04): 432-440 . 百度学术
27. 代军,李志明,李艳琴,赵俊伟. 基于改进Informed-RRT~*算法的机器人路径规划. 河南理工大学学报(自然科学版). 2022(04): 95-100 . 百度学术
28. 张立彬,林后凯,谭大鹏. 基于栅格空间的自适应GB_RRT机械臂路径规划. 计算机集成制造系统. 2022(06): 1638-1649 . 百度学术
29. 顾丹宁,方灶军,张延军. 采用改进RRT方法进行双臂机器人路径规划. 机械设计与研究. 2022(04): 49-55+60 . 百度学术
30. 李龙,陈禾炜,汪田鸿,张泉,王国鹏,田应仲,彭艳,罗均. 基于接近觉的机械臂避障路径规划. 机器人. 2022(05): 601-612 . 本站查看
31. 田启岩,李硕,杨丽英,邵士亮,张弼,高岳,帅梅. 北京2022年冬奥会和冬残奥会火炬传递机器人. 机器人. 2022(05): 513-521 . 本站查看
32. 陈志勇,黄泽麟,曾德财,于潇雁. 复杂环境下六自由度机械臂路径规划的Biased-RRT修正算法. 福州大学学报(自然科学版). 2022(05): 658-666 . 百度学术
33. 李宇辉,赵敏,陈奇,姚敏,何紫阳. 复杂环境下翼伞系统的组合式航迹规划. 航空学报. 2021(06): 556-567 . 百度学术
34. 尹斌,卢文涛,魏文卿. 基于RRT~*算法的六自由度机械臂避障路径规划. 电子测试. 2021(16): 46-48 . 百度学术
35. 郑维,张涛,王洪斌,田亚静,王洪瑞. 分级随机采样弱随机RRT算法及在移动机器人运动规划中的应用. 计量学报. 2021(09): 1172-1181 . 百度学术
36. 房立金,吴政翰,王怀震. 基于改进RRT*FN算法的机械臂多场景运动规划. 中国机械工程. 2021(21): 2590-2597 . 百度学术
37. 赵惠,李庆党,张明月. 基于改进RRT算法的机械臂路径规划方法. 电子测量技术. 2021(16): 45-49 . 百度学术
38. 宋国栋,魏立科,马宏伟,付霁野,刘希梁. 六轴式小臂机器人运动学理论研究及其在掘锚作业中的应用. 煤炭学报. 2021(S2): 1114-1123 . 百度学术
其他类型引用(32)
计量
- 文章访问数: 171
- HTML全文浏览量: 462
- PDF下载量: 356
- 被引次数: 70