CN105415372A - 一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法 - Google Patents

一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，属于机器人轨迹规划技术领域，包括以下步骤：(1)设定安全空间；(2)人工示教；(3)干涉检查；(4)运动执行。本发明的安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，很大程度上减少了示教点的数量，从而减轻示教工作的任务量，提高了人工示教效率，同时也避免了点到点运动不确定的中间路径引发的干涉问题。

Description

一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及一种机器人任务空间轨迹规划方法，尤其涉及一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，属于机器人轨迹规划技术领域。
背景技术
机器人技术作为二十世纪人类最伟大的发明之一，从60年代问世以来，经历五十多年的发展，已经取得了长足的进步。机器人按领域大致可以分为工业机器人、服务机器人和特种机器人；特种机器人包括航天机器人、无人机、军用机器人等；服务机器人包括扫地机器人、情感陪护机器人、医疗机器人和娱乐休闲机器人等；工业机器人则已经成为现代制造业中不可少的核心装备，其按用途可以分为焊接机器人、码垛机器人、移动小车(AGV)、分拣机器人、冲压锻造机器人、切割机器人、研磨抛光机器人和喷涂机器人等；工业机器人按结构可以分为关节机器人、并联机器人、直角坐标式机器人等。
机器人技术的发展快速的提高了社会生产力水平和人类的生活质量，工业机器人可以完成人类无法完成或对人体有害的工作，可以有效的提高生产效率和生产质量、将人从枯燥单调的重复性工作中解放出来。
目前，工业机器人的轨迹规划方式主要分为：离线编程和人工示教编程。在结构化环境下，目标轨迹的几何形状和位置以及它的周围的环境是已知的情况下，可以利用计算机的离线编程技术进行机器人的路径规划；而对于复杂路径和非结构环境下的轨迹，仍然采用现场人工示教的方法进行路径规划，这是目前应用最多的方法。在进行人工示教轨迹时，机器人的运动可以分为连续轨迹运动和点到点运动，连续轨迹运动如直线运动、圆弧运动等，机器人末端沿设定的连续轨迹运动；而点到点运动只是要求机器人末端从当前点运动到指定位置点。采用点到点的运动方式的特点是：运动速度快，其中间路径无法确定，不受机器人的奇异点限制。
机器人点到点的运动路径依存于机器人当前点和目标点的位置，在附图1中描述了传统工业机器人点到点运动的路径示例。从附图1中可以看出，机器人末端从A点运动到B点，其中间路径是不规则的，并且是很难直观预测的。如附图2所示，当存在障碍物1时，示教人员移动机器人末端从A点到达B点，然后以点到点的方式记录下此B点，轨迹再现时，A点到B点就会以点到点的运动方式来实现，且其中间过程路径无法确定与预测，因此，示教人员通常会操作机器人退回到A点，然后低速再现A点到B点的轨迹，观察此段轨迹是否与周围结构有干涉且是否合理；如果有干涉，则此段轨迹需要重新示教。传统的人工示教方式下，机器人点到点运动只需要设定目标点和插补方式，不关心中间路径，亦不关心安全工作空间范围，因此，轨迹再现时可能发生干涉的现象，则需要重新示教，反复的示教和轨迹验证会造成示教任务繁重、示教点较多和示教效率低下的问题。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，能够很大程度上减少了示教点的数量，从而减轻示教工作的任务量，提高了人工示教效率。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，包括以下步骤：
(1)设定安全空间：机器人的安装位置以及周围设备和环境的布局已定，通过测量或建模等方法确定机器人能够安全工作的空间，然后使用示教器设定机器人的安全工作空间范围；
(2)人工示教：根据机器人作业任务的需求，进行机器人运动轨迹的示教工作；
(3)干涉检查：机器人在执行点到点运动时，根据当前点的位姿和目标点的位姿以及运动速度设定进行两点之间的路径规划，路径规划的过程中，机器人轨迹规划算法会判断路径中每一个路径点是否在步骤1设定的安全工作空间范围内；
(4)运动执行：如果步骤3中规划的所有路径点都在安全工作空间范围内，则机器人按照所规划的路径执行；如果有一个路径点不在安全工作空间范围内，则在当前点和目标点之间插入一个中间过渡点，机器人先以点到点的插补方式从当前点运动到过渡点，在从过渡点以点到点的插补方式运动到目标点。
优选的，所述步骤4中，在插入过渡点后，为了确保动作的连续性，轨迹经过过渡点时采用圆弧过渡的规划方法
优选的，所述步骤4中，如果插入过渡点后，当前点到过渡点的路径和过渡点到目标点的路径仍然不在安全工作范围以内，则产生报警，停止动作。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，采用点到点运动轨迹规划方法，首先设定安全工作空间，示教轨迹再现时，轨迹规划算法可以根据空间约束条件，自动的插入中间点来避开障碍，无需验证轨迹的干涉问题，从而很大程度上减少了示教点的数量，从而减轻示教工作的任务量，提高了人工示教效率，同时也避免了点到点运动不确定的中间路径引发的干涉问题。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为现有技术的机器人点到点的运动路径；
附图2为现有技术的人工示教过程；
附图3为本发明的安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法的过渡点的选择；
附图4为本发明的路径点通过路径示例；
其中：1、障碍物；A、当前点；B、目标点；C、过渡点；M、第一个干涉点；N、最后一个干涉点；D、中间点。
具体实施方式
下面根据附图结合实施例对本发明作进一步说明。
如附图3所述的本发明的安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，包括以下步骤：
(1)设定安全空间：机器人的安装位置以及周围设备和环境的布局已定，通过测量或建模等方法确定机器人能够安全工作的空间，然后使用示教器设定机器人的安全工作空间范围；
(2)人工示教：根据机器人作业任务的需求，进行机器人运动轨迹的示教工作；
(3)干涉检查：机器人在执行点到点运动时，根据当前点A的位姿和目标点B的位姿以及运动速度设定进行两点之间的路径规划，路径规划的过程中，机器人轨迹规划算法会判断路径中每一个路径点是否在步骤1设定的安全工作空间范围内；
(4)运动执行：如果步骤3中规划的所有路径点都在安全工作空间范围内，则机器人按照所规划的路径执行；如果有一个路径点不在安全工作空间范围内，则在当前点A和目标点B之间插入一个中间过渡点C，过渡点C选择方式如下：经过计算可以得到第一个干涉点M和最后一个干涉点N(注：点M、N、A和B不一定在一个平面)，根据点M和点N计算出其中间点D，以点D向当前点A和目标点B的连线做垂线DC，DC的距离通过参数L来确定，从而确定了过渡点C的位置。机器人先以点到点的插补方式从当前点A运动到过渡点C，在从过渡点C以点到点的插补方式运动到目标点B。
在插入过渡点C后，为了确保动作的连续性，轨迹经过过渡点时采用圆弧过渡的规划方法，如附图4所示。
如果插入过渡点C后，当前点A到过渡点C的路径和过渡点C到目标点B的路径仍然不在安全工作范围以内，则产生报警，停止动作。
本发明的安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，采用点到点运动轨迹规划方法，首先设定安全工作空间，示教轨迹再现时，轨迹规划算法可以根据空间约束条件，自动的插入中间点来避开障碍，无需验证轨迹的干涉问题，从而很大程度上减少了示教点的数量，从而减轻示教工作的任务量，提高了人工示教效率，同时也避免了点到点运动不确定的中间路径引发的干涉问题。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设定安全空间；在机器人的安装位置以及周围设备和环境的布局已经确定的情况下，通过测量或建模等方法确定机器人能够安全工作的空间，然后使用示教器设定机器人的安全工作空间范围；
(2)人工示教：根据机器人作业任务的需求，进行机器人运动轨迹的示教工作；
(3)干涉检查：机器人在执行点到点运动时，根据当前点的位姿和目标点的位姿以及运动速度设定进行两点之间的路径规划，路径规划的过程中，机器人轨迹规划算法会判断路径中每一个路径点是否在步骤1设定的安全工作空间范围内；
(4)运动执行：如果步骤3中规划的所有路径点都在安全工作空间范围内，则机器人按照所规划的路径执行；如果有一个路径点不在安全工作空间范围内，则在当前点和目标点之间插入一个中间过渡点，机器人先以点到点的插补方式从当前点运动到过渡点，在从过渡点以点到点的插补方式运动到目标点。
2.根据权利要求1所述的安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤4中，在插入过渡点后，为了确保动作的连续性，轨迹经过过渡点时采用圆弧过渡的规划方法。
3.根据权利要求1所述的安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤4中，如果插入过渡点后，当前点到过渡点的路径和过渡点到目标点的路径仍然不在安全工作范围以内，则产生报警，停止动作。
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Granted publication date: 20170412