本发明涉及抓钢机机械臂，尤其涉及一种用于抓钢机机械臂的路径规划方法及系统。
背景技术：
1、随着科技的飞速发展，机器人在全球工业及社会各领域的应用日益广泛，其中，以机械臂为核心的抓钢机作为重要的自动化工具，在废旧金属回收、工业废料处理、建筑垃圾清理及生活垃圾分拣等繁重且复杂的作业环境中展现出巨大潜力。这类机械臂不仅能够实现高效、精确的物料抓取与装载，显著提升生产效率，还凭借其高度的自动化与智能化特性，降低了人力成本，改善了工作环境。
2、目前，尽管机械臂技术取得了显著进步，但在实际应用中仍面临诸多技术挑战，其中，路径规划与运动控制是关键技术难点之一。传统上，机械臂的路径规划高度依赖于预先构建的仿真生产作业场景模型，这一过程中广泛应用的rrt(快速随机树)算法虽能有效探索空间并找到可行路径，但当仿真生产作业场景区域广阔时，rrt算法需不断扩展随机树以遍历整个空间，这一过程不仅计算量大，而且耗时较长，直接导致路径规划效率低下，难以满足实际应用中对实时性和高效性的要求。
技术实现思路
1、为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
2、鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术公开了一种用于抓钢机机械臂的路径规划方法及系统，以提高路径规划效率。
3、本技术公开了一种用于抓钢机机械臂的路径规划方法，包括：获取抓钢机机械臂对应的任务场景，其中，所述抓钢机机械臂包括一个或多个机械臂关节，所述任务场景包括起始节点、目标节点和障碍物区域；若备选任务路径的数量小于预设最小阈值，则对所述机械臂关节的活动路径进行限制，得到关节限位条件，并在所述任务场景中生成满足所述关节限位条件的随机采样节点；若备选任务路径的数量大于或等于所述预设最小阈值，则根据所述备选任务路径在所述任务场景中生成路径收敛区域，并在所述路径收敛区域中生成随机采样节点；在所述障碍物区域之外，利用随机采样节点对所述任务场景中的预设随机树进行扩展，并根据扩展后的预设随机树生成新的备选任务路径，其中，所述备选任务路径用于控制所述抓钢机机械臂从所述起始节点移动至所述目标节点。
4、于本技术一实施例中，在所述任务场景中生成满足所述关节限位条件的随机采样节点，包括：按照所述节限位条件建立关节角计算模型；通过所述关节角计算模型对随机数进行计算，得到所述随机数对应的关节角组合，其中，所述关节角组合包括各机械臂关节分别对应的关节角，且处于关节角的机械臂关节均满足所述关节限位条件；利用正运动学对所述关节角组合进行计算，得到所述关节角组合在任务场景对应的随机采样节点。
5、于本技术一实施例中，根据所述备选任务路径在所述任务场景中生成路径收敛区域，并在所述路径收敛区域中生成随机采样节点，包括：若备选任务路径的数量大于或等于预设最小阈值，则将所述起始节点和所述目标节点之间的直线距离作为椭球焦距长度，并将所述备选任务路径的路径长度作为椭球长轴长度，根据所述椭球焦距长度和所述椭球长轴长度进行计算，得到椭球短轴长度；将所述起始节点和所述目标节点分别作为椭球焦点，并根据所述起始节点和所述目标节点确定椭球中心节点，以在所述任务场景中按照所述椭球焦距长度、所述椭球长轴长度和所述椭球短轴长度生成椭球形的路径收敛区域；在所述任务场景中生成球形单位区域，并在所述球形单位区域中生成随机单位节点；按照节点映射公式将所述随机单位节点从所述球形单位区域映射至所述路径收敛区域，得到随机采样节点，其中，节点映射公式包括放缩矩阵、旋转矩阵和平移行向量中的一种或多种，所述放缩矩阵根据所述椭球长轴长度和所述椭球焦距长度确定，平移行向量根据所述椭球中心节点的节点坐标确定，所述旋转矩阵根据所述平移行向量确定。
6、于本技术一实施例中，在所述障碍物区域之外，利用随机采样节点对所述任务场景中的预设随机树进行扩展，包括：将所述起始节点作为路径节点加入所述预设随机树；响应于随机采样节点，根据所述随机采样节点分别与各路径节点之间的节点距离从所述预设随机树中确定所述随机采样节点对应的相邻节点；根据预设的节点步长从所述随机采样节点与所述相邻节点之间的连线上查找备选节点；响应于备选节点，根据所述障碍物区域对所述备选节点进行避障检测；若所述备选节点未通过避障检测，则根据备选节点的查找次数逐次减小所述节点步长，以根据减小后的节点步长从所述随机采样节点与所述相邻节点之间的连线上查找新的备选节点；若所述备选节点通过避障检测，则将所述备选节点作为新的路径节点加入所述预设随机树，并根据预设的路径代价机制从所述预设随机树中确定所述备选节点对应的父节点。
7、于本技术一实施例中，根据所述起始节点和所述目标节点之间的直线距离确定所述节点步长，其中，所述节点步长正相关于所述起始节点和所述目标节点之间的直线距离。
8、于本技术一实施例中，所述方法还包括：通过圆柱体模型对所述抓钢机机械臂的刚体结构进行简化处理，得到模型半径相等的包络模型；根据所述包络模型的模型半径对所述障碍物区域进行扩展，得到扩展区域，其中，所述扩展区域包括多个区域面。
9、于本技术一实施例中，通过以下方式进行避障检测：所述抓钢机机械臂包括一个或多个机械臂连杆；将各所述机械臂连杆映射至所述任务场景，得到各所述机械臂连杆分别对应的连杆直线段；将任一机械臂连杆对应的连杆直线段确定为待判定直线段，并将任一区域面确定为待判定面；根据所述待判定直线段所在直线的方向向量、所述待判定面所在平面的平面法向量判断所述待判定直线段所在直线与所述待判定面所在平面之间的位置关系；若所述待判定直线段所在直线平行于所述待判定面所在平面，则将所述待判定直线段与所述待判定面之间的避障检测结果确定为通过；若所述待判定直线段所在直线相交于所述待判定面所在平面，则将所述待判定直线段所在直线与所述待判定面所在平面之间的交点作为待判定点，并分别判断所述待判定点是否位于所述待判定直线段和所述待判定面上；若所述待判定点不位于所述待判定直线段或所述待判定面上，则将所述待判定直线段与所述待判定面之间的避障检测结果确定为通过；若所述待判定点同时位于所述待判定直线段和所述待判定面上，则将所述待判定直线段与所述待判定面之间的避障检测结果确定为不通过。
10、于本技术一实施例中，根据扩展后的预设随机树生成新的备选任务路径，包括：若所述备选节点作为新的路径节点加入所述预设随机树，判断所述备选节点与所述目标节点之间的节点距离是否大于所述节点步长；若所述备选节点与所述目标节点之间的节点距离大于所述节点步长，则获取新的随机采样节点；若所述备选节点与所述目标节点之间的节点距离小于或等于所述节点步长，则对所述备选节点与所述目标节点之间的节点路径进行避障检测；若所述备选节点与所述目标节点之间的节点路径未通过避障检测，则获取新的随机采样节点；若所述备选节点与所述目标节点之间的节点路径通过避障检测，则根据所述备选节点依次连接各所述路径节点分别对应的父节点，得到所述起始节点到所述目标节点之间的备选任务路径。
11、于本技术一实施例中，根据扩展后的预设随机树生成新的备选任务路径之后，所述方法还包括：若备选任务路径的数量大于或等于预设最大阈值，则从各备选任务路径中确定目标任务路径，其中，所述目标任务路径上设置有路径节点；将所述目标任务路径上的路径节点作为路径控制点，并在至少一部分路径控制点之间插入新的路径控制点；根据路径控制点的数量计算曲线段数，并按照所述曲线段数对所述目标任务路径中的路径控制点进行扩充，得到具有多个路径片段的扩充路径；根据各所述路径片段中的路径控制点分别以贝塞尔曲线方式进行平滑处理，以将所述目标任务路径转换为平滑任务路段；对所述平滑任务路段中的各路径片段分别进行差值离散化，得到曲线节点序列；通过预设的逆运动学公式对所述曲线节点序列进行计算，得到所述抓钢机机械臂中各机械臂关节对应的关节路径；按照所述关节路径控制所述抓钢机机械臂中的各机械臂关节。
12、本技术公开了一种用于抓钢机机械臂的路径规划系统，包括：获取模块，用于获取抓钢机机械臂对应的任务场景，其中，所述抓钢机机械臂包括一个或多个机械臂关节，所述任务场景包括起始节点、目标节点和障碍物区域；第一生成模块，用于若备选任务路径的数量小于预设最小阈值，则对所述机械臂关节的活动路径进行限制，得到关节限位条件，并在所述任务场景中生成满足所述关节限位条件的随机采样节点；第二生成模块，用于若备选任务路径的数量大于或等于所述预设最小阈值，则根据所述备选任务路径在所述任务场景中生成路径收敛区域，并在所述路径收敛区域中生成随机采样节点；路径规划模块，用于在所述障碍物区域之外，利用随机采样节点对所述任务场景中的预设随机树进行扩展，并根据扩展后的预设随机树生成新的备选任务路径，其中，所述备选任务路径用于控制所述抓钢机机械臂从所述起始节点移动至所述目标节点。
13、本技术公开了一种电子设备，包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电子设备执行上述的方法。
14、本技术的有益效果：
15、通过对机械臂关节的活动路径进行限制得到关节限位条件，若备选任务路径的数量小于预设最小阈值，则在任务场景中生成满足关节限位条件的随机采样节点，同时，若备选任务路径的数量大于或等于预设最小阈值，则根据备选任务路径生成路径收敛区域，以在路径收敛区域中生成随机采样节点，从而根据随机采样节点扩展随机树，生成新的备选任务路径。这样，一方面，通过关节限位条件限制机械臂关节，使得随机采样节点在机械臂关节的活动路径内生成，另一方面，当存在备选任务路径时，根据备选任务路径生成路径收敛区域，在路径收敛区域中生成随机采样节点，从而根据关节限位条件或现有的备选任务路径缩小随机采样节点的生成区域，减少路径规划的计算量，进而提高了路径规划效率。
1.一种用于抓钢机机械臂的路径规划方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述任务场景中生成满足所述关节限位条件的随机采样节点，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述备选任务路径在所述任务场景中生成路径收敛区域，并在所述路径收敛区域中生成随机采样节点，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述障碍物区域之外，利用随机采样节点对所述任务场景中的预设随机树进行扩展，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述起始节点和所述目标节点之间的直线距离确定所述节点步长，其中，所述节点步长正相关于所述起始节点和所述目标节点之间的直线距离。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下方式进行避障检测：
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据扩展后的预设随机树生成新的备选任务路径，包括：
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，根据扩展后的预设随机树生成新的备选任务路径之后，所述方法还包括：
10.一种用于抓钢机机械臂的路径规划系统，其特征在于，包括：
