空间机械臂避障轨迹规划的遗传算法应用

韩明轩

（台海玛努尔核电设备股份有限公司，山东 烟台 264003）

空间机械臂在具体应用的时候，其具有有效载荷搬运和执行空间实验等作用，甚至也能够完成接送宇航员太空漫步的任务，通常情况下，空间机械臂中的部分作业轨迹是在进行实验之后预先存在的，而多数作业是不能够进行提前预定处理的，这些任务的完成就需要利用遥操作控制器的方式，由宇航员对机械臂末端直接控制处理，为了防止其中出现干涉和保证安全等情况，空间机械臂的运动速度是相对较慢的，在监控装置操作机械臂视野受限的情况下，操作人员在对其进行控制处理的时候，难易承受生物学疲劳。

1 空间机械臂避障轨迹规划相关内容

空间机械臂轨迹规划中的困难主要是由于其对稳定和安全等方面存在着较高的要求，空间机械臂轨迹规划的时候，需要能够保障机械臂全局避障，规划轨迹能够促使各关节角运动量最小，也需要机械臂末端轨迹的长度能够保持着较短的距离，并且其机械臂运动时间也相对比较短，其在有解的情况下，是不允许出现算法失败的情况的。

当前情况下的机械臂轨迹规划方法虽然具有较为丰富的特点，并且其成熟度也相对比较高，但是其在对各种指标相互关联和影响的性能协调方面还存在一定缺陷。通过障碍物和机械臂在垂直相交的平面内的投影情况对其干涉情况加以判断，通过对机器人的构型判定，不同连杆在不同干涉中，需要使用抬高某连杆或原路返回等策略，避免出现障碍的情况，而在复杂的情况中，也可能会由于出现干涉情况以及避障策略考虑不够全面等情况的出现而发生无解的情况。

2 空间机械臂避障轨迹规划模型简化

空间机械臂避障轨迹规划的遗传算法应用研究的空间机械臂主要选取的是3连杆6DoF机械臂工具，在其具体工作的时候，主要是处于基座位姿受控模式中，这就使得避障算法在具体应用的时候，不需要对自由漂浮情况下机械臂的动力学方面的特征考虑，并且在进行空间机械臂避障情况研究处理的时候，也需要首先对机械臂模型和障碍等进行简化处理，并且使用数学描述机械臂简化方法，将机械臂连杆的径向最大包络半径共同叠加在障碍物的厚度上。在这一情况下，需要将机械臂连杆和障碍两个实体之间的干涉计算的时候，促使其对直线段和实体间的位置关系进行判断，这种机械臂简化的方式由于连杆最大尺寸叠加在障碍物上，从而使得其实际的工作空间被占据，但是其本身具有一定的可靠性以及简便性等特点，促使空间机械臂避障轨迹规划的遗传算法在机器人避障领域应用范围相对较广，使用相互叠加的球包络实体，促使无法进行描述的实体外形能够向用球心和球半径描述的球体序列转化[1]。

3 空间机械臂避障轨迹规划

关节空间内的轨迹规划实。能够促使机械臂各关节的动力学性能得意提升，促使其速度以及加速度等方面都可以得到有效控制，并且机械臂的操作环境本身就存在着能够得到人为优化处理，不会具有杂乱无章和纷繁复杂等特点，这就需要在一般情况下，只需要对其加以假设处理即可，假设其中存在中间点，使得前后两段轨迹的拉伸和扭曲等对存在的障碍有效避免[2]。

4 基因优化过程

以适应度函数为例，遗传算法在空间机械臂避障轨迹规划中加以应用的时候，其首先需要在取值范围内进行随机解设置处理，并且将其作为基因，设这一随机解为P，并且对其中是否存在最优解加以判断处理，如果其中存在最优解的时候，则计算结束，而如果其中不存在最优解的话，就需要对末端轨迹长度以及关节角的增量和、时间超限的总和等加以计算处理，并且进行适应度指标计算，对其中适应度比较小的K1解删除处理，在取值范围之内进行K1解补充处理，并且对K2组解随机更改处理，对其中K3组的解两两之间任意值互相交换处理。判定遗传算法是否最优，是对P组基因适合度指标fG是否接近的重要方式，如果fG之间的数值的差异比较小，就能够说明种群基因之间的相似程度是比较高的，而这一基因就是最优解，随后退出程序。如果fG之间的差异相对较大，就需要根据其中存在的适合度之比对其中适合度相对比较小的基因组加以删除处理，并且在对这些基因组删除处理之后，随机使用保留的基因组对已经删除的基因数补充处理，并且在这一过程中保持种群Pn不变。根据空间机械臂工作特性中的相关要求，适合度指标主要为fG=fob/(η1fto +η2fq+η3fl+η4ft）。

5 结语

本文根据空间机械臂的系统的相关要求，使得关节空间内基于遗传算法的轨迹避障方法成为显示，也使得空间机械臂的系统的动力学性能不断优化，使得整个机械臂对其中存在的障碍避开，空间机械臂避障轨迹规划的遗传算法应用在经过反复验证之后，具有稳定可靠且计算效率比较高等特点，在这之中，计算量最大的运算和检验之间具有一定联系。通过基因算法计算的机器人轨迹并不能够确定是最优解，但是其属于对相关约束条件加以满足的接近最优解中的一个解，为了能够得到其中存在的最优解，需要对最初的种群数量和基因算法的迭代次数的摩纳哥增加处理，对基因算法中基因交叉和变异的方式等有效改善，但是对于其中存在的轨迹规划过程而言，空间机械臂避障轨迹规划的遗传算法能够在任意自由度机器人的避障轨迹规划中加以推广和应用。

[1]王一帆．基于多传感器的空间机械臂精细操作控制方法研究[D]．北京邮电大学,2017．

[2]滕根保．面向狭窄通道的机械臂避障规划与示教技术研究及应用[D]．浙江大学,2017．