【摘 要】
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随着科技进步与生产力的提高,机器人技术得到高速发展,兼具灵活性与可操作性的移动机械臂逐渐兴起。移动机械臂是由移动平台和机械臂组成的一种复合式机器人,相比固定式机械臂而言具有工作空间大、环境适应性强等优势,其应用场景也由室内扩展至室外。而室外开阔的非结构化环境对移动机械臂的感知与响应能力提出了更高的要求,移动机械臂在运行过程中需要获取环境中障碍物的个数与分布情况、感知各障碍物状态的连续变化、并对臂身
【基金项目】
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国家重点研发计划（2018YFB1305303）“人-机-环境系统动态变化下冗余机器人灵巧作业规划”；
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随着科技进步与生产力的提高,机器人技术得到高速发展,兼具灵活性与可操作性的移动机械臂逐渐兴起。移动机械臂是由移动平台和机械臂组成的一种复合式机器人,相比固定式机械臂而言具有工作空间大、环境适应性强等优势,其应用场景也由室内扩展至室外。而室外开阔的非结构化环境对移动机械臂的感知与响应能力提出了更高的要求,移动机械臂在运行过程中需要获取环境中障碍物的个数与分布情况、感知各障碍物状态的连续变化、并对臂身与障碍物产生的碰撞及时检测,从而与环境和谐共存,为安全规划作业奠定基础。本文基于三维激光雷达对移动机械臂室外环境下的障碍物感知与碰撞检测进行研究,主要内容如下:1.对一款自研移动机械臂进行介绍,该移动机械臂由七自由度冗余机械臂及分层式移动平台组合而成。针对室外环境情况选用一款MEMS固态125线激光雷达作为传感器,对激光雷达进行参数标定。采集室外环境信息并生成可视化点云。2.针对移动机械臂感知室外环境中障碍物个数与分布的问题,对环境障碍物三维检测进行研究。该算法分为三个部分:采用GPF-RANSAC对地面点云进行采样与平面模型建立,通过分割地面模型去除地面点云的干扰;采用点云二值图转化对不同障碍物所属点进行聚类,划分障碍物个体;采用霍夫直线检测识别障碍物点云主方向并根据主方向为障碍物添加包围盒,框选环境中的障碍物。最后在采集的环境点云中进行实验,验证障碍物三维检测算法的可行性与有效性。3.针对移动机械臂感知室外环境中各障碍物状态连续变化的问题,对障碍物跟踪进行研究。基于卡尔曼滤波对障碍物建立状态模型,预测障碍物在下一时刻的状态;建立帧间关联矩阵,基于匈牙利算法对不同帧间的同一障碍物进行关联;结合预测与关联的检测结果对障碍物状态进行更新。最后在完成障碍物检测的点云中对障碍物跟踪算法进行了验证与分析。4.针对室外环境下移动机械臂臂身与障碍物产生碰撞的问题,对臂身与障碍物碰撞检测进行研究。根据障碍物跟踪信息获取障碍物包围盒模型;计算D-H矩阵并构建臂身包围盒模型;基于分离轴理论对臂身与障碍物包围盒进行重叠测试,通过包围盒重叠情况判断是否产生碰撞。最后在ROS系统中搭建仿真实验场景,验证臂身与障碍物碰撞检测算法的有效性。
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