CN105269556A - 机器人的运动前瞻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人的运动前瞻方法，将文字或图案转化成笛卡尔空间坐标系中的多个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，利用机器人的末端执行机构在未来三段的运动信息，对机器人的各关节分别进行解耦，然后结合各关节的耦合作用的特点，进行综合解耦，通过对当前段进行运行时间规划、四元素规划(初始速度、终点速度、最大速度及运动位移)及轨迹生成，即可完成一次运动规划，所得结果可使所述执行末端机构提速30％，且平稳性与顺滑性均得到提升，同时在之后的各段运动规划中采用迭代寻优的方法，保证系统逐渐趋于最佳的运动状态，并可提前预知急拐弯的情况，提前做好降速的准备，防止出现速度突变。

Description

机器人的运动前瞻方法

【技术领域】

本发明涉及一种机器人的运动前瞻方法，尤其是指一种根据机器人末端执行机构的未来三段的运动信息决定机器人在当前段的运动轨迹的方法。

【背景技术】

机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，在机器人的运动控制中，很多情况下需要根据给定的机器人末端执行器的位置和姿态，求解机器人各关节的关节变量，进行机器人离线编程和轨迹规划。此时，如果按照常规插补方法控制，只在相邻两线段间进行插补前加减速处理，当遇到轨迹急拐弯等情况时，将产生很大的加(减)速度，而且产生的冲击将使机器人结构无法承受。

现有的一种有效方法就是前瞻控制，它是一种提前发现轨迹突变，并对机器人末端执行器的速度进行有效控制的方法。目前的速度前瞻控制技术有Hermite样条插值方法、B样条插值方法和PVT控制方法等，这些速度控制方式都是位置伺服的速度插补原理，在实际插补运动中都得频繁地进行加速和减速变化，不能使速度平滑稳定地变化。

因此，有必要设计一种机器人的运动前瞻方法，以克服上述问题。

【发明内容】

本发明的创作目的在于提供一种机器人的运动前瞻方法，根据机器人的末端执行机构在未来三段的运动信息，决定机器人的末端执行机构在当前段的运动轨迹，使机器人的末端执行机构实现快速、连续、平稳且顺滑的运动。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机器人的运动前瞻方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1).提供一机器人与一工作台，建立所述工作台与所述机器人相关联的笛卡尔空间坐标系，所述机器人具有一末端执行机构；

(2).提供一控制终端，确定所述末端执行机构在笛卡尔空间坐标系中的起画点；

(3).使用者输入文字或绘制图案，所述控制终端将输入的文字或绘制的图案转化成一平面坐标系中的m个有序路径点；

(4).连接所述控制终端与所述机器人，所述控制终端读取m个有序路径点，并将m个有序路径点通过迭代的方式以一第一长度进行采样得到n个有序路径点，并将采样后的第一个有序路径点作为起画点将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中；

(5).按照采样后的n个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，根据五个连续的有序路径点，所述控制终端对所述机器人的各关节分别进行解耦，且各关节按同时到达的原则，得出所述末端执行机构在当前段的运动时间t；

(6).依据所述末端执行机构在当前段的运动时间t，结合可靠收敛的数值解法，从全局出发进行迭代寻优，并辅之奇异状态分析，防止所述机器人的关节出现过速问题，然后综合解耦，使所述末端执行机构在各有序路径点平稳、顺滑地通过，得到各关节在当前段的初始速度V₀、终点速度V₁、最大速度V_max、运动位移θ的最优解；

(7).按照最优解的初始速度V₀、终点速度V₁、最大速度V_max、运动位移θ关节运动速度曲线，从而生成特定的具有优良运动性能的运动轨迹，使所述末端执行机构在所述工作台按照当前段的运动轨迹作动。

进一步，在步骤(4)中以第一个有序路径点作为采样起点，将距离第一个有序路径点小于所述第一长度的有序路径点舍弃，取距离第一个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为采样后的第二个有序路径点，以上述第二个有序路径点为采样起点，同样将距离第二个有序路径点小于所述第一长度的有序路径点舍弃，取距离第二个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为采样后的第三个有序路径点，依次这样采用迭代的方式针对m个有序路径点进行采样得到n个有序路径点，其中在采样的过程中，当下一个有序路径点距离上一个采样后的有序路径点的距离大于一第二长度时，其中所述第二长度大于所述第一长度，所述末端执行机构在该下一个有序路径点处进行抬笔作动，且移动到该下一个有序路径点的下一个继续进行采样；当后面仅有的有序路径点距离作为采样起点的上一个有序路径点均小于所述第一长度，或者后面再没有有序路径点时，那么可以判断所述末端执行机构在作为采样起点的有序路径点处其作动终止。

进一步，步骤(5)为所述末端执行机构在当前段的运动时间t规划，在基于所述末端执行机构准确到达五个连续有序路径点的前提下，通过D-H模型法获得所述末端执行机构相对于笛卡尔空间坐标系的位姿矩阵，对所述机器人的各关节分别进行解耦，得到各关节的角度值，依据已确定的各关节最大速度与最大加速度的边界条件，以及当前段各关节运动时间关于当前段与未来三段各段运动位移的目标函数，各关节采用最速原则，保证各关节平稳顺滑，求得所述机器人各关节在当前段的运动时间，综合所述机器人各关节的运动状态，且各关节采用同时到达的原则，从而找到所述末端执行机构在当前段优化的运动时间t。

进一步，在步骤(5)中，当可供连续选取的有序路径点少于五个时，根据有序路径点的数目与数值五之间的差值，最末的有序路径点则在原有的基础上再被重复计算该差值的次数，所述末端执行机构在该最末的有序路径点的作动终止。

进一步，步骤(3)中，在使用者输入文字或绘制图案时，选择输入所述末端执行机构生成对应该文字或图案的运动轨迹的比例大小。

进一步，所述控制终端包括一工业PC机和具有触屏输入功能的一手持盒，所述手持盒基于嵌入式系统笔画生成与相关传输协议制定，且通过网际网络连接所述工业PC机。

进一步，步骤(2)中，在所述手持盒的系统中安装一书写工具包，使用者打开所述书写工具的画板用以手写文字或绘制图案。

进一步，所述手持盒安装一内存卡，用以存储使用者书写的文字或绘制的图案转换成平面坐标系中的m个有序路径点。

进一步，所述控制终端仅包括一工业PC机，使用者通过所述工业PC机的键盘输入文字，所述工业PC机通过字模分析与笔画生成使输入的文字转换成平面坐标系中的m个有序路径点。

进一步，在步骤(1)中，所述末端执行机构安装一裱花工具，用于在生日蛋糕上写字或绘制图案。

与现有技术相比，本发明利用所述末端执行机构在未来三段的运动信息，结合所述机器人的各关节的耦合作用的特点，即可完成一次运动规划，所得结果，可使所述执行末端机构提速30％，且平稳性与顺滑性均得到提升，同时在之后的各段运动规划中采用迭代寻优的方法，保证系统逐渐趋于最佳的运动状态，并可提前预知所述末端执行机构急拐弯的情况，提前做好降速的准备，防止出现急拐弯，速度突变。

【附图说明】

图1为本发明机器人写字系统示意图；

图2为本发明机器人写字系统的命令书写方式流程图；

图3为本发明机器人写字系统的触屏书写方式流程图；

图4为机器人的运动前瞻方法流程图。

具体实施方式的附图标号说明：

机器人1底座10

腰部回转部件20大臂30

小臂40手腕部件50

末端执行机构60控制终端2

工业PC机3手持盒4

工作台5

【具体实施方式】

为便于更好的理解本发明的目的、结构、特征以及功效等，现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明顺应自动化与智能化的发展，旨在进一步提升机器人的作业性能，填补其在艺术相关领域的技术不足，节省人力成本，同时提升了效率，以用于蛋糕平面写字或绘画为例说明六自由度机器人的运动前瞻方法，当然还可以用四轴机器人实现在蛋糕平面写字或绘画。

请参阅图1，六自由度机器人的写字系统，其包括一机器人1、一控制终端2和一裱花工具(未图示)。

请参阅图1，所述机器人1为一六自由度机器人，所述机器人1通常包括底座10、腰部回转部件20、大臂30、小臂40、手腕部件50和末端执行机构60。所述底座10譬如固定在自动引导车商或安装于固定座上，并支撑整个所述机器人1装置，所述腰部回转部件20设置在所述底座10上用以支撑所述大臂30，同时通过第一关节完成所述机器人1腰部的回转运动。所述大臂30与所述腰部回转部件20通过第二关节相连地设置，并能够执行俯仰动作。所述小臂40与所述大臂30通过第三关节相连地设置，相应可执行俯仰动作。所述手腕部件50与所述小臂40相连并在其上安装有所述末端执行机构60，同时通过第四关节至第六关节共同进行对所述执行末端机构60的位置及姿态改变动作。如图1中所示，整个所述机器人1包括六个关节，其中前三个关节决定了所述末端执行机构60在空间的位置，后三个关节决定了所述末端执行机构60在空间的位置和姿态。因此，如果已知所述末端执行机构60的位姿，对这六个关节的变量进行求解即为所述机器人1运动学反解过程。在本实施例中，所述裱花工具安装于所述末端执行机构60，用于在生日蛋糕上写字或图案绘制。

请参阅图1，所述控制终端2可以为一工业PC机3或者通过网际网络互联的一工业PC机3与一手持盒4。所述工业PC机3通过各种IO接口连接所述机器人1的各关节元器件，所述机器人1将接收所述工业PC机3的命令数据解析生成各类操作指令，包括命令写字或绘图、抬笔、放笔、移动调整书写位置等指令，用以实现对所述机器人1的控制。

请参阅图1、2和3，根据所述控制终端2不同的命令方式，可以以不同的方式完成写字或绘图，下面例举两种。

一、命令书写方式：

该种方式通常只能使所述机器人1在蛋糕平面上完成写字功能，不能实现绘图。首先，建立所述机器人1与所述末端执行机构60作动的一工作台5相关联的笛卡尔空间坐标系，使用者需要选择所述末端执行机构60在笛卡尔空间坐标系中的起画点P₀；然后使用者通过所述工业PC机3的键盘输入需要书写的文字，并选定书写文字的大小比例；所述工业PC机3进行字模分析生成一平面坐标系中的m个有序路径点，并保存m个有序路径点，所述工业PC机3根据程序算法将m个有序路径点通过迭代的方式以一第一长度进行采样，最终得出n个有序路径点，并将采样后的第一个有序路径点作为起画点P₀将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中；按照采样后的n个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，根据五个连续的有序路径点，所述工业PC机3进行连续前瞻规划运算，得出所述机器人1在当前段的各关节的初始速度V₀、终点速度V₁、最大速度V_max、运动位移θ的最优解，从而决定所述末端执行机构60在所述工作台5的当前段的运动轨迹，通过上述的这种方式依次进行迭代计算，使所述末端执行机构60上的所述裱花工具完成在蛋糕平面上的写字作业。

二、触屏书写方式：

所述手持盒4基于嵌入式系统Linux，其设有写字模块(未图示)以及一内存卡(未图示)，同样首先建立所述机器人1与所述末端执行机构60作动的一工作台5相关联的笛卡尔空间坐标系，使用者选择所述末端执行机构60在笛卡尔空间坐标系中的起画点P₀；然后在所述手持盒4的触摸屏上手写文字或绘制图案，并通过嵌入式系统Linux自带的消息响应识别手所触地方的电压变化，且根据电压变化将其转化成所写文字或所绘制图案对应一平面坐标系中的m个有序路径点，并保存于所述内存卡内；上述过程均在所述手持盒4上实现，因此该过程可实现离线编程，所述手持盒4通过RJ45网络连接所述工业PC机3，所述工业PC机3读取所述手持盒4中的m个有序路径点，并根据程序算法将m个有序路径点通过迭代的方式以一第一长度进行采样，最终得出n个有序路径点，并将采样后的第一个有序路径点作为起画点P₀将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中；按照这采样后的n个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，根据五个连续的有序路径点，所述工业PC机3进行连续前瞻规划运算，得出所述机器人1在当前段的各关节的初始速度V₀、终点速度V₁、最大速度V_max、运动位移θ的最优解，从而决定所述末端执行机构60在所述工作台5的当前段的运动轨迹，通过上述的这种方式依次进行迭代计算，使所述末端执行机构60上的所述裱花工具完成在蛋糕平面上的写字作业。

请参阅图2、3和4，前述两种命令方式均可实现前瞻的连续规划，而前瞻的连续规划主要包括四方面：其一，解耦分析；其二，运动奇异性分析；其三，数值解；其四，迭代寻优。前瞻中的所述机器人1的运动轨迹获得采用四元素法，其中四元素涵盖了所述机器人1的各关节的起始速度V₀、终点速度V_t、最大速度V_max、运动位移θ(即关节运行角度θ)，四元素法即是通过未来三段的运行信息决定当前段的运动状态，从而实现速度最优控制，并能保证平稳与顺滑，同时防止轨迹急拐弯的情况下速度突变，实现运动轨迹寻优。而四元素法的实现流程分为三大部分，即运动时间规划、四元素规划和轨迹生成。

其中，运动时间规划，即是采用最速原则，在保证各有序路径点准确到达的前提下，进行运动性能寻优，找到动力学性能(如速度、加速度等)最优的解；然后综合所述机器人1的各关节的运动状态，进行当前段的运行时间规划。

四元素规划，即是依据运行时间规划的结果、所述机器人1的各关节的运动状态，进行解耦分析，遵循最速原则、同时到达的原则与运动性能优化原则，采用改进且可靠收敛的数值解法进行解算，得到所述机器人1的各关节的初始可行解；然后进行奇异分析，预知所述机器人1可能处于的奇异状态，并设法避免，防止出现过速等问题。

轨迹生成，即是按照特殊的所述机器人1的关节运动速度曲线，生成特定的具有优良运动性能的当前段的运动轨迹。

请参阅图1至4，所述机器人的运动前瞻方法，以下以触屏书写为例，其具体包括以下步骤：

(1).提供所述机器人1与所述工作台5，建立所述工作台5与所述机器人1相关联的笛卡尔空间坐标系，所述末端执行机构60在所述工作台5上动作，在本实施例中，所述裱花工具安装于所述末端执行机构60，用于在生日蛋糕上写字或图案绘制的动作。

(2).提供所述控制终端2，所述控制终端2包括所述工业PC机3和所述手持盒4，在所述手持盒4上输入所述执行末端机构60在笛卡尔空间坐标系中的起画点P₀，即是所述末端执行机构60在所述工作台5上的起画点P₀。

(3).使用者通过所述手持盒4的触屏输入文字或/和绘制图案，所述手持盒4的嵌入式系统将输入的文字或/和绘制的图案转化成一平面坐标系中的m个有序路径点并保存m个有序路径点，且将记录m个有序路径点的文档存于所述手持盒4的内存卡中，在所述手持盒4与所述工业PC机3未连接的情况进行手写文字或/和绘制图案并保存，如此可实现离线编程。

(4).通过RJ45网络连接所述工业PC机3和所述手持盒4，而所述工业PC机3与所述机器人1通过各IO接口等连接，所述工业PC机3读取所述手持盒4中的m个有序路径点的文档，并根据程序算法将m个有序路径点通过迭代的方式以所述第一长度L₁进行采样，最终得出n个有序路径点，在此过程中，迭代采样采用一个小程序算法，举例说明，从第一个有序路径点开始算起，取所述第一长度L₁＝0.5mm为采样长度，将距离第一个有序路径点小于0.5mm的有序路径点舍弃，取距离第一个有序路径点为0.5mm的有序路径点作为采样后的第二个有序路径点，以上述第二个有序路径点作为采样起点，同样将距离上述第二个有序路径点小于0.5mm的有序路径点舍弃，取距离上述第二个有序路径点为0.5mm的有序路径点作为采样后的第三个有序路径点，依次这样采用迭代的方式针对m个有序路径点进行精简得到n个有序路径点。

另外，当对m个有序路径点中进行采样时，其下一个有序路径点距离上一个采样后的有序路径点的距离大于一第二长度L₂，所述第二长度L₂在取值时最好与所述第一长度L₁的取值相差大一些，如此所述末端执行机构60不会频繁地进行抬笔作动，例如所述第二长度L₂＝1mm时，此时说明所述末端执行机构60在下一个有序路径点处需要进行抬笔，在本实施例中，抬笔高度为2mm，即所述裱花工具的笔尖距离蛋糕平面2mm，且抬笔后所述裱花工具的笔尖移动到下一个有序路径点的下一个上方2mm高处，然后所述裱花工具的笔尖放笔在该处有序路径点，再以此处有序路径点为采样起点，根据程序算法选择下一个有序路径点。

当后面仅有的有序路径点距离作为采样起点的上一个有序路径点均小于所述第一长度0.5mm，或者后面再没有有序路径点时，那么可以判断所述末端执行机构60在作为采样起点的有序路径点处其作动终止。

采样完成后，将采样后的第一个有序路径点作为起画点P₀将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中，从而得到有序路径点P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，…，P_n，此处起画点P₀即为第一个有序路径点P₁。

(5).现以第一个有序路径点P₁(即起画点P₀)为例说明，由于第一个有序路径点P₁在笛卡尔空间坐标系中的位置信息和姿态信息确定的情况下，即所述机器人1的各关节在第一个有序路径点P₁的角度值θ已知，再根据P₂，P₃，P₄，P₅四个有序路径点的位置信息，以上述五个连续的有序路径点构成当前段P₁P₂与未来依序三段P₂P₃，P₃P₄，P₄P₅，在上述四个有序路径点处，所述工业PC机3对所述机器人1的各关节分别进行解耦，通过D-H模型法获得所述末端执行机构60相对于笛卡尔空间坐标系的位姿矩阵：

$T_6^0=T_1^{0}T_2^{1}T_{.3}^{2}T_4^{5}T_5^{4}T_6^5=\left[\begin{array}{cccc}{n}_x& o_x& a_x& p_x\\ n_y& o_y& a_y& p_y\\ n_z& o_z& a_z& p_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

该位姿矩阵中各个元素分别如以下表达式(2)所示，其中c₁～c₆、s₁～s₆分别依次表示所述机器人1各关节也即第一至第六关节的变量θ₁～θ₆的余弦值和正弦值，c₂₃、s₂₃分别表示第二和第三关节的变量θ₂与θ₃之和的余弦值和正弦值，a₁～a₃分别表示所述机器人1的第一、第二和第三关节各自与其相邻的下一关节之间的轴线距离，d₄表示第三关节的轴线与第四、五关节轴线交点之间的距离：

$\left.\begin{array}{c}{n}_x=c_1\[c_{23}\left(c_4{c}_5{c}_6-s_4{s}_6\right)-s_{23}{s}_5{c}_6\]+s_1\left(s_4{c}_5{c}_6+c_4{s}_6\right)\\ n_y=s_1\[c_{23}\left(c_4{c}_5{c}_6-s_4{s}_6\right)-s_{23}{s}_5{c}_6\]+c_1\left(s_4{c}_5{c}_6+c_4{s}_6\right)\\ n_z=s_{23}\left(c_4{c}_5{c}_6-s_4{s}_6\right)+c_{23}{s}_5{c}_6\\ o_x=c_1\[c_{23}\left(-c_4{c}_5{c}_6-s_4{s}_6\right)+s_{23}{s}_5{c}_6\]+s_1\left(c_4{c}_6-s_4{c}_5{s}_6\right)\\ o_y=s_1\[c_{23}\left(-c_4{c}_5{c}_6-s_4{s}_6\right)+s_{23}{s}_5{c}_6\]-c_1\left(c_4{c}_6-s_4{c}_5{s}_6\right)\\ o_z=s_{23}\left(-c_4{c}_5{c}_6-s_4{c}_6\right)-c_{23}{s}_5{s}_6)\\ a_x=c_1\left(c_{23}{c}_4{s}_5+s_{23}{c}_5\right)+s_1{s}_4{s}_5)\\ a_y=s_1\left(c_{23}{c}_4{s}_5+s_{23}{c}_5\right)-c_1{s}_4{s}_5)\\ a_z=s_{23}{c}_4{s}_5-c_{23}{c}_5\\ p_x=c_1\left(a_1+a_2{c}_2+a_3{c}_{23}+d_4{s}_{23}\right)\\ p_y=s_1\left(a_1+a_2{c}_2+a_3{c}_{23}+d_4{s}_{23}\right)\\ p_z=a_2{s}_2+a_3{s}_{23}-d_4{c}_{23})\end{array}\right\}---\left(2\right)$

通过上述(1)、(2)公式，并根据所述机器人1的各关节运动角度限制条件，使所述机器人1避开奇异形位，得出所述机器人1的各关节在四个有序路径点的角度值(其中元素i表示第几关节，j表示n个有序路径点中的第几个有序路径点)：

$t_i^1=f\left(\right({\mathrm{\θ}}_i^2-{\mathrm{\θ}}_i^1),({\mathrm{\θ}}_i^3-{\mathrm{\θ}}_i^2),({\mathrm{\θ}}_i^4-{\mathrm{\θ}}_i^3),({\mathrm{\θ}}_i^5-{\mathrm{\θ}}_i^4))$ 及(速度V、加速度ω、∫ω＝加速度ω求导的极限条件)(3)

其中式(3)表示所述末端执行机构60在当前段P₁P₂各关节关于当前段P₁P₂与未来三段P₂P₃，P₃P₄，P₄P₅各段运动位移θ的运动时间的目标函数，然后根据公式(1)、(2)及(3)，此时当前段P₁P₂的起始速度为0m/s，以及在所述机器人1出厂已确定的各关节的最大速度V_max和最大加速度ω_max的边界值情况下，保证所述末端执行机构60在有序路径点P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，…，P_n准确到达且所述机器人1的各关节平稳顺滑(即所述工业PC机3进行运动性能寻优，找到所述机器人1的各关节动力学性能(如速度V、加速度ω等)最优的解)的前提下，所述工业PC机3采用最速原则，最速原则是指以时间最短作为性能指标来优化所述机器人1的运动轨迹，使所述末端执行机构60在两点之间或沿着规定轨迹运动的时间最短，从而得出所述机器人1的各关节在当前段P₁P₂所需时间t_i，然后综合所述机器人1的各关节运动状态，采用各关节同时到达的原则，因此选择所述机器人1的某一关节花时最长的时间作为最优运动时间t，防止个别关节已经到达有序路径点P₂时，其它关节还在运行中的奇异情况出现。

(6).所述工业PC机3依据所述末端执行机构60在当前段P₁P₂所需的最优运动时间t、所述机器人1的各关节运动状态，进行综合解耦，在该过程中，同样遵循最速原则、同时到达原则与所述机器人1的各关节运动性能优化原则，根据关于运动时间t的起始速度V₀、终点速度V_t、最大速度V_max、最大加速度ω_max、运动位移θ的目标函数，得出所述机器人1的各关节于当前段P₁P₂的初始可行角度值θ_i，并进行奇异分析，预知所述机器人1可能处于的奇异状态，并设法避免，即当所述机器人1的路径途径奇异域则对奇异域的运动轨迹进行关节直角坐标系的重新规划，防止所述机器人1出现过速等问题，最终获得所述机器人1的各关节在当前段P₁P₂的起始速度V₀、终点速度V_t、最大速度V_max、最大加速度ω_max、运动位移θ。

(7).按照最优解的初始速度V₀、终点速度V₁、最大速度V_max、运动位移θ关节运动速度曲线，从而生成特定的具有优良运动性能的轨迹，使所述末端执行机构60在所述工作台5按照当前段P₁P₂的运动轨迹作动。

依据上述的方法，所述末端执行机构60在每一段的运动均需进行迭代寻优，根据未来三段的运动趋势，决定当前段的运动状态，通过这种不断地迭代寻优，所述末端执行机构60上的所述裱花工具依据每一段生成的轨迹在蛋糕平面上进行写字或/和绘制图案。在迭代寻优的过程中，当可供连续选取的有序路径点少于五个时，根据有序路径点的数目与数值五之间的差值，最末的有序路径点则在原有的基础上再被重复计算该差值的次数。

所述机器人1的运动前瞻方法，通过利用未来三段的运动信息决定机器人1在当前段的运动轨迹，例如当前段P₁P₂与未来三段P₂P₃，P₃P₄，P₄P₅是在同一个直线上，那么所述工业PC机3通过计算并发出命令使所述末端执行机构60在中间的三个路径点P₂P₃，P₃P₄，P₄P₅平稳、顺滑地通过，如此来求解所述机器人1的各关节动力学性能；如果当前段P₁P₂与未来三段P₂P₃，P₃P₄，P₄P₅构成一圆弧，那么所述工业PC机3通过计算并发出命令使所述末端执行机构60沿圆弧轨迹走，如此来求解所述机器人1的各关节动力学性能；利用未来三段P₂P₃，P₃P₄，P₄P₅的运动趋势还可提前得知拐弯状况，为后续的降速做好准备，所述工业PC机3通过计算并发出命令在出现拐弯的有序路径点时，所述末端执行机构60的速度将为0m/s，然后按改变方向再开始加速运动，如此可避免所述末端执行机构60急拐弯、速度突变的情况出现。

综上所述，本发明机器人的运动前瞻方法具有以下有益效果：

1、所述工业PC机3利用所述末端执行机构60的未来三段的运动信息，结合所述机器人1的各关节的耦合作用的特点，即可完成一次运动规划，所得结果，可使所述末端执行机构60提速30％，且平稳性与顺滑性均得到提升，同时在之后的各段运动规划中采用迭代寻优的方法，保证系统逐渐趋于最佳的运动状态，并可提前预知所述末端执行机构60急拐弯的情况，提前做好降速的准备，防止出现急拐弯，速度突变。

2、所述工业PC机3将m个有序路径点通过迭代的方式以所述第一长度L₁进行采样，最终得出n个有序路径点，如此可减少所述工业PC机3对有序路径点的总计算次数，减轻所述工业PC机3的负担，从而使所述末端执行机构60得以提速。

以上详细说明仅为发明之较佳实施例的说明，非因此局限本发明之专利范围，所以，凡运用本创作说明书及图示内容所为之等效技术变化，均包含于本创作之专利范围内。

Claims (10)

1.一种机器人的运动前瞻方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1).提供一机器人与一工作台，建立所述工作台与所述机器人相关联的笛卡尔空间坐标系，所述机器人具有一末端执行机构；

(2).提供一控制终端，确定所述末端执行机构在笛卡尔空间坐标系中的起画点；

(3).使用者输入文字或绘制图案，所述控制终端将输入的文字或绘制的图案转化成一平面坐标系中的m个有序路径点；

(4).连接所述控制终端与所述机器人，所述控制终端读取m个有序路径点，并将m个有序路径点通过迭代的方式以一第一长度进行采样得到n个有序路径点，并将采样后的第一个有序路径点作为起画点将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中；

(5).按照采样后的n个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，根据五个连续的有序路径点，所述控制终端对所述机器人的各关节分别进行解耦，且各关节按同时到达的原则，得出所述末端执行机构在当前段的运动时间t；

(6).依据所述末端执行机构在当前段的运动时间t，结合可靠收敛的数值解法，从全局出发进行迭代寻优，并辅之奇异状态分析，防止所述机器人的关节出现过速问题，然后综合解耦，使所述末端执行机构在各有序路径点平稳、顺滑地通过，得到各关节在当前段的初始速度V₀、终点速度V₁、最大速度V_max、运动位移θ的最优解；

(7).按照最优解的初始速度V₀、终点速度V₁、最大速度V_max、运动位移θ关节运动速度曲线，从而生成特定的具有优良运动性能的运动轨迹，使所述末端执行机构在所述工作台按照当前段的运动轨迹作动。

2.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：在步骤(4)中以第一个有序路径点作为采样起点，将距离第一个有序路径点小于所述第一长度的有序路径点舍弃，取距离第一个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为采样后的第二个有序路径点，以上述第二个有序路径点为采样起点，同样将距离第二个有序路径点小于所述第一长度的有序路径点舍弃，取距离第二个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为采样后的第三个有序路径点，依次这样采用迭代的方式针对m个有序路径点进行采样得到n个有序路径点，其中在采样的过程中，当下一个有序路径点距离上一个采样后的有序路径点的距离大于一第二长度时，其中所述第二长度大于所述第一长度，所述末端执行机构在该下一个有序路径点处进行抬笔作动，且移动到该下一个有序路径点的下一个继续进行采样；当后面仅有的有序路径点距离作为采样起点的上一个有序路径点均小于所述第一长度，或者后面再没有有序路径点时，那么可以判断所述末端执行机构在作为采样起点的有序路径点处其作动终止。

3.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：步骤(5)为所述末端执行机构在当前段的运动时间t规划，在基于所述末端执行机构准确到达五个连续有序路径点的前提下，通过D-H模型法获得所述末端执行机构相对于笛卡尔空间坐标系的位姿矩阵，对所述机器人的各关节分别进行解耦，得到各关节的角度值，依据已确定的各关节最大速度与最大加速度的边界条件，以及当前段各关节关于当前段与未来三段各段运动位移的运动时间的目标函数，各关节采用最速原则，保证各关节平稳顺滑，求得所述机器人各关节在当前段的运动时间，综合所述机器人各关节的运动状态，且各关节采用同时到达的原则，从而找到所述末端执行机构在当前段优化的运动时间t。

4.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：在步骤(5)中，当可供连续选取的有序路径点少于五个时，根据有序路径点的数目与数值五之间的差值，最末的有序路径点则在原有的基础上再被重复计算该差值的次数，所述末端执行机构在该最末的有序路径点的作动终止。

5.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：步骤(3)中，在使用者输入文字或绘制图案时，选择输入所述末端执行机构生成对应该文字或图案的运动轨迹的比例大小。

6.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：所述控制终端包括一工业PC机和具有触屏输入功能的一手持盒，所述手持盒基于嵌入式系统笔画生成与相关传输协议制定，且通过网际网络连接所述工业PC机。

7.如权利要求6所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：步骤(2)中，在所述手持盒的系统中安装一书写工具包，使用者打开所述书写工具的画板用以手写文字或绘制图案。

8.如权利要求7所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：所述手持盒安装一内存卡，用以存储使用者书写的文字或绘制的图案转换成平面坐标系中的m个有序路径点。

9.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：所述控制终端仅包括一工业PC机，使用者通过所述工业PC机的键盘输入文字，所述工业PC机通过字模分析与笔画生成使输入的文字转换成平面坐标系中的m个有序路径点。

10.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述末端执行机构安装一裱花工具，用于在生日蛋糕上写字或绘制图案。