基于改进PRM的采摘机器人机械臂避障路径规划
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（ School of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410000，China）
Abstract： Aiming at requirement of harvesting robot arm in uncertain environments，a kind of obstacle avoidance path planning algorithm for robot arm based on improved probabilistic roadmap （ PＲM） algorithm is proposed． Workspace of the robot arm is divided into discretized unit set，mapping relationship between arbitary discrete element and collision position in workspace is obtained by traversal method． The obstacles are also divided into discretized units，collision position information is obtained，by indexing the mapping relationship，and the joint configuration space is constructed． Obstacle avoidance path of robot arm is quickly searched by PＲM algorithm in joint configuration space． The simulation results show that compared with traditional PＲM algorithm，the improved algorithm improves speed about 22． 2 % ，it can effectively realize collision-free path planning of robot arm． Keywords： robot arm； obstacle avoidance path planning； joint configuration space； probabilistic roadmap （ PＲM） algorithm
0引言 由于在工作空间中进行避障路径规划存在局部最小点
和振荡 等 问 题［1］，机 械 臂 避 障 路 径 规 划 通 常 在 构 形 空 间［2，3］内进行。国内外学者基于构形空间对避障路径规划 算法开展了大量研究［4 ～ 8］，提出了包括概率地图 （ probabilistic roadmap，PＲM） 算 法［9］、快 速 扩 展 随 机 树 （ rapidly-exploring random tree，ＲＲT ） 算 法［10，11］ 和 快 速 扩 展 树 （ fast marching tree，FMT） 算法［12］等在内的路径规划算法。研究 过程中传统算法不断获得改进，文献［13］提出了一种改进 的 bi-ＲＲT 算法，算法能够自动选择合适的采样点作为目标 节点，提高了算法搜索效率； 文献［14］基于关节空间提出
收稿日期： 2017—10—30 * 基金项目： 湖南省高校科技创新团队支持计划资助项目（ 2014207） ； 湖南省科技计划重点研发资助项目（ 2016NK2142）
第1 期
邹宇星，等： 基于改进 PＲM 的采摘机器人机械臂避障路径规划
并通过索引映射关系获得与障碍物有撞的所有机械臂位姿信息，并以此建立关节构形空间。通过 PＲM 算
法在关节构形空间中快速搜索机械臂避障路径。仿真结果表明： 相比传统 PＲM 算法，改进算法速度提高
22． 2 % ，能够有效地实现机械臂无碰撞路径规划。
关键词： 机械臂； 避障路径规划； 关节构形空间； 概率地图法
一种改进的 A* 算法对空间机械臂进行避障路径规划，验 证了 A* 算法应用于高自由度机械臂的可行性； 文献［15］ 利用改进 PＲM 算法对机械臂进行避障路径规划，算法只要 通过采样获得部分机械臂关节构形空间无撞点，连接无撞 点即可获得机械臂避障路径。
本文针对 PＲM 算法需要大量耗时以构建无撞点网络 图的问题，引进一种快速构形空间构建算法，避免 PＲM 算 法在构建网络图时所需要的复杂碰撞检测。实验结果表 明，改进算法能够快速、有效地为平面 2Ｒ 机械臂和三维空 间高自由度机械臂进行避障路径规划。
52
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
2019 年 第 38 卷 第 1 期
DOI： 10． 13873 / J．wk.baidu.com1000—9787（ 2019） 01—0052—05
基于改进 PＲM 的采摘机器人机械臂避障路径规划*
邹宇星，李立君，高自成
（ 中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410000）
摘 要： 针对采摘机器人机械臂在不确定的环境中进行采摘作业的要求，提出了一种基于改进概率地图
（ PＲM） 算法的机械臂避障路径规划方法。将机械臂工作空间分割成离散单元集合，通过遍历的方法，获
得机械臂工作空间中任意离散单元与机械臂有撞位姿之间的映射关系。将空间障碍物分割成离散单元，
中图分类号： TP 242
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 01—0052—05
Obstacle avoidance path planning for harvesting robot arm based on improved PＲM*
ZOU Yu-xing，LI Li-jun，GAO Zi-cheng
Abstract： Aiming at requirement of harvesting robot arm in uncertain environments，a kind of obstacle avoidance path planning algorithm for robot arm based on improved probabilistic roadmap （ PＲM） algorithm is proposed． Workspace of the robot arm is divided into discretized unit set，mapping relationship between arbitary discrete element and collision position in workspace is obtained by traversal method． The obstacles are also divided into discretized units，collision position information is obtained，by indexing the mapping relationship，and the joint configuration space is constructed． Obstacle avoidance path of robot arm is quickly searched by PＲM algorithm in joint configuration space． The simulation results show that compared with traditional PＲM algorithm，the improved algorithm improves speed about 22． 2 % ，it can effectively realize collision-free path planning of robot arm． Keywords： robot arm； obstacle avoidance path planning； joint configuration space； probabilistic roadmap （ PＲM） algorithm
0引言 由于在工作空间中进行避障路径规划存在局部最小点
和振荡 等 问 题［1］，机 械 臂 避 障 路 径 规 划 通 常 在 构 形 空 间［2，3］内进行。国内外学者基于构形空间对避障路径规划 算法开展了大量研究［4 ～ 8］，提出了包括概率地图 （ probabilistic roadmap，PＲM） 算 法［9］、快 速 扩 展 随 机 树 （ rapidly-exploring random tree，ＲＲT ） 算 法［10，11］ 和 快 速 扩 展 树 （ fast marching tree，FMT） 算法［12］等在内的路径规划算法。研究 过程中传统算法不断获得改进，文献［13］提出了一种改进 的 bi-ＲＲT 算法，算法能够自动选择合适的采样点作为目标 节点，提高了算法搜索效率； 文献［14］基于关节空间提出
收稿日期： 2017—10—30 * 基金项目： 湖南省高校科技创新团队支持计划资助项目（ 2014207） ； 湖南省科技计划重点研发资助项目（ 2016NK2142）
第1 期
邹宇星，等： 基于改进 PＲM 的采摘机器人机械臂避障路径规划
并通过索引映射关系获得与障碍物有撞的所有机械臂位姿信息，并以此建立关节构形空间。通过 PＲM 算
法在关节构形空间中快速搜索机械臂避障路径。仿真结果表明： 相比传统 PＲM 算法，改进算法速度提高
22． 2 % ，能够有效地实现机械臂无碰撞路径规划。
关键词： 机械臂； 避障路径规划； 关节构形空间； 概率地图法
一种改进的 A* 算法对空间机械臂进行避障路径规划，验 证了 A* 算法应用于高自由度机械臂的可行性； 文献［15］ 利用改进 PＲM 算法对机械臂进行避障路径规划，算法只要 通过采样获得部分机械臂关节构形空间无撞点，连接无撞 点即可获得机械臂避障路径。
本文针对 PＲM 算法需要大量耗时以构建无撞点网络 图的问题，引进一种快速构形空间构建算法，避免 PＲM 算 法在构建网络图时所需要的复杂碰撞检测。实验结果表 明，改进算法能够快速、有效地为平面 2Ｒ 机械臂和三维空 间高自由度机械臂进行避障路径规划。
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传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
2019 年 第 38 卷 第 1 期
DOI： 10． 13873 / J．wk.baidu.com1000—9787（ 2019） 01—0052—05
基于改进 PＲM 的采摘机器人机械臂避障路径规划*
邹宇星，李立君，高自成
（ 中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410000）
摘 要： 针对采摘机器人机械臂在不确定的环境中进行采摘作业的要求，提出了一种基于改进概率地图
（ PＲM） 算法的机械臂避障路径规划方法。将机械臂工作空间分割成离散单元集合，通过遍历的方法，获
得机械臂工作空间中任意离散单元与机械臂有撞位姿之间的映射关系。将空间障碍物分割成离散单元，
中图分类号： TP 242
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 01—0052—05
Obstacle avoidance path planning for harvesting robot arm based on improved PＲM*
ZOU Yu-xing，LI Li-jun，GAO Zi-cheng