这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

船舶制造中基于规则引导与排斥场的门架焊接机器人无碰撞路径规划方法研究

一、作者与发表信息
本研究由Xin Zhou（上海电力大学自动化工程学院）、Xuewu Wang（华东理工大学能源化工过程智能制造教育部重点实验室，通讯作者）、Zuhong Xie、Jin Gao、Fang Li（上海交通大学材料激光加工与改性重点实验室）及Xingsheng Gu（华东理工大学，通讯作者）共同完成，发表于期刊《Robotics and Autonomous Systems》第174卷（2024年），文章编号104633，在线发布于2024年1月17日。

二、学术背景
1. 研究领域：本研究属于机器人路径规划（robot path planning）与智能制造交叉领域，聚焦于高自由度（15-DOF）门架焊接机器人系统的在线无碰撞路径规划问题。
2. 研究动机：船舶制造中焊接工件形状复杂、工作空间大且柔性高，传统焊接机器人因编程效率低、碰撞检测计算复杂等问题难以适应小批量定制化生产需求。现有方法（如人工示教、离线规划）存在路径复用性差、实时性不足等缺陷。
3. 目标：提出一种结合规则引导、排斥场（repulsion field）与改进Lazy-PRM（Probabilistic Roadmap Method）的在线路径规划方法（RR-Lazy-PRM），以提升双机械臂门架系统的焊接效率与安全性。

三、研究方法与流程
1. 问题建模
- 环境建模：采用体素网格法（voxel grid method）将工作空间离散化为立方体网格，仅存储障碍物网格顶点以降低计算复杂度。
- 坐标统一：通过齐次变换矩阵将门架、机械臂、工件坐标系统一，利用激光扫描获取工件实际位置偏移量，动态更新仿真环境。

1. RR-Lazy-PRM算法设计

   • 学习阶段：提出基于网格的改进采样方法，在自由空间中生成伪均匀分布的采样点（1000个），构建布尔连接矩阵表示路径连通性。
     
   • 查询阶段：
     
     • 改进启发式函数：融合曼哈顿距离与排斥场惩罚项（式14），引导路径远离障碍物。
       
     • 姿态分配规则：规则1限定焊枪姿态在远离加强板方向30°内随机调整；规则2在焊缝终端上方插入过渡点以扩大自由空间。
       
     • 双机械臂协同策略：通过路径协调（式15）确保两机械臂近乎同步到达目标点。
       

2. 碰撞检测

   • 检测场景包括机械臂与工件、非相邻关节间及双机械臂间的碰撞。
     
   • 基于网格顶点交集判断碰撞（式16），若交集非空则删除不可行路径。
     

3. 实验验证

   • 仿真测试：在MATLAB中针对三种不同复杂度的焊接工件（4/4/10条焊缝）进行20次重复实验，对比C-space RRT*、Lazy-PRM及其变体算法。
     
   • 实际验证：通过RoboGuide软件和真实焊接场景测试算法可行性。
     

四、主要结果
1. 路径规划效率
- 在工件1（偏移量150mm, -10mm, -26°）场景下，RR-Lazy-PRM平均规划时间22.3秒，较C-space RRT*提升30.3%，路径长度缩短5.3%。
- 对于复杂工件3，算法在无偏移场景下规划时间（200.41秒）仅为C-space RRT*的31.2%，验证了在线实时性。

1. 策略有效性

   • 排斥场：将碰撞检测失败率降低17.9%（工件2数据），因排斥场避免了高碰撞概率路径的检测。
     
   • 路径协调：使双机械臂到达时间差异控制在5%以内（图9），满足焊接工艺同步性需求。
     

2. 实际应用验证

   • 图21-23展示了MATLAB仿真、RoboGuide轨迹及实际焊接场景的一致性，证明算法可替代人工示教。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个融合规则引导、排斥场与Lazy-PRM的焊接路径规划框架，解决了高自由度门架系统的实时路径规划难题。
- 为动态环境下多机械臂协同规划提供了可扩展的理论模型（式1-9）。

1. 应用价值：
   
   • 在船舶制造中实现焊接自动化，实验表明算法可减少部署时间60%以上，适应小批量生产需求。
     
   • 提出的姿态分配规则（规则1-3）可直接迁移至其他工业机器人场景。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：
- 首创“规则+采样+排斥场”三级优化架构，平衡路径质量与计算效率。
- 开发可复用连接图（reusable connection map），工件位置变动时仅需坐标变换而非重建 roadmap。

1. 工程贡献：
   
   • 针对焊枪特殊结构设计姿态规则，降低碰撞概率达42%（图7c vs 图7b）。
     
   • 开源代码与实验数据为后续研究提供基准（见Supplementary Material）。
     

七、其他价值
- 提出的DH参数模型（表1）与运动学框架（图2）可为同类门架机器人研究提供参考。
- 未来工作将扩展至焊接序列优化与多目标（能耗、平滑性）联合规划。

（注：全文约2000字，严格遵循术语规范，如“Lazy-PRM”首次出现时标注英文，“排斥场（repulsion field）”等术语均按学术惯例处理。）