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本论文以国家863高技术项目《助老/助残机器人关键技术研究》的子课题《实用型陪护机器人》为背景,研究实用型陪护机器人的路径规划方法及其实现。
实用型陪护机器人工作环境是普通的家庭环境。这样的环境虽然可以通过建模的方式便于机器人的计算和处理,从而进行全局路径规划。但是由于环境的不确定性因素的存在,使得机器人需要通过传感器对环境的变化进行检测并更新地图。通过避障以及重规划的方法实现动态路径规划。
本文采用的全局路径规划的方法是通过对环境进行结构化栅格建模,将空间区分为自由空间以及障碍物空间两种类型,通过路径搜索算法A*计算出移动机器人从起始点到目标点的最优起始路径,并且在规划的每个路径点上添加当前路径点机器人的运动方向参数。通过运动控制使得机器人沿着该路径进行运动并且不断地读取传感器信息。在运动过程中当传感器检测到机器人的运动路径上出现了动态障碍时能够通过VFH的方式进行避障,并且通过导航函数N(Navigation Function N)的方式进行重规划的处理,更新机器人原来的路径,通过运动控制的方式使得机器人沿着新的路径进行运动,直至到达目标点。
在路径规划的方法中充分考虑到本次陪护型机器人的尺寸特性、传感器特性以及运动特性,在地图已知或部分未知的情况下,通过机器人身上所加载的声纳传感器对周围环境进行识别,加载地图时对障碍物进行膨胀处理以及靠近障碍物的栅格进行初始代价的添加三个措施来确保在运动过程中确保机器人不会与障碍物发生碰撞。在重规划的计算中,同样考虑到机器人的各个特性,确保机器人在运动过程中在满足一定的精度条件下准确到达目标点。
在HHR-0303陪护机器人上进行反复试验和各个参数的调试(包括机器人的运动速度、避障的距离、转动速度、障碍物膨胀的大小和初始代价的大小等参数),通过对机器人产生的路径进行跟踪的运动控制方法实现了陪护机器人起始点到目标点的移动。当出现动态障碍物时机器人能立即作出反应并且对重规划的路径进行跟踪,保证了路径的平滑性和运动的稳定性。