CN107450534B - 用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统 - Google Patents

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    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0287—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles involving a plurality of land vehicles, e.g. fleet or convoy travelling

Abstract

本发明提出了一种用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，包括：所述任务级处理计算机用于根据任务和环境，采集多条机器人轨迹并生成对应的轨迹点曲线，并将多条轨迹点曲线分别发送每台所述机器人控制器；每台所述机器人控制器在接收端设置轨迹点缓冲队列，由所述轨迹点缓冲队列接收轨迹点曲线，以减少网络抖动的影响，然后由所述机器人控制器将轨迹点用高阶样条曲线拼接，得到轨迹段，再对轨迹段进行精插补，得到插补点发送给对应的伺服驱动器；所述伺服驱动器根据来自所述机器人控制器的插补点指令，驱动机器人按预定轨迹运动。本发明通过增加轨迹点缓冲队列，可以有效消除网络通信抖动对机器人运动造成的不利影响。

Description

用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统。
背景技术
工业机器人编程从高到低可以分为四个层级：任务级、动作级、原始级和伺服级。传统工业机器人大多针对固定应用场景，采用示教编程的方式，对应的层级为动作级，这种编程方式的缺点是对操作人员要求高，步骤繁琐，并且对环境适应性弱。任务级编程接收较高级别的用户指令，以“捡起零件”这样一条任务级指令为例，系统需要通过传感器感知周围环境，为机器人规划一条不会与周围障碍物碰撞的路径，以合适的姿态接近并捡起零件。任务级编程虽然可以大大降低机器人使用难度，但是其需要处理的数据量和计算量也远高于动作级编程。现有工业机器人的控制器是按照运动控制的要求选配，处理器计算能力并不能很好保障任务级处理，比较合理的解决方案是机器人控制器专职做好运动控制，把任务级的处理放在单独高性能计算机中或服务器中，任务级处理计算机生成的机器人轨迹发送给机器人控制器，机器人控制器接收轨迹指令并执行。
任务级处理计算机与机器人控制器间通常采用网络通信，网络通信不可避免地存在延时、抖动等问题。这些问题对于语音、视频等应用最多影响用户体验，但是对于机器人这类工业设备则可能造成抖动、冲击，甚至引发事故。因此，解决网络通信抖动对机器人的影响具有重要应用价值。
典型的任务级处理计算机与机器人控制器配合工作的基本原理如图1所示。图1所示系统在理想情况下可以正常工作，但在实际物理系统中，任务级处理计算机与机器人控制器之间网络通信不可避免存在抖动与延时。如果机器人执行到机器人控制器中轨迹段的末尾，由于网络抖动，任务级处理计算机的轨迹点没有及时被机器人控制器接收，机器人不得不停机等待新的轨迹点的到来；当新的轨迹点到来后，机器人再次从零加速运动到新的目标位置。如此频繁的加减速容易造成机器人振动，降低工作节拍，增加设备磨损。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，包括：任务级处理计算机、多台机器人控制器、多台伺服驱动器，其中，
所述任务级处理计算机用于根据任务和环境，采集多条机器人轨迹并生成对应的轨迹点曲线，并将多条轨迹点曲线分别发送每台所述机器人控制器；
每台所述机器人控制器在接收端设置轨迹点缓冲队列，由所述轨迹点缓冲队列接收轨迹点曲线，以减少网络抖动的影响，然后由所述机器人控制器将轨迹点用高阶样条曲线拼接，得到轨迹段，再对轨迹段进行精插补，得到插补点发送给对应的伺服驱动器；
所述伺服驱动器根据来自所述机器人控制器的插补点指令，驱动机器人按预定轨迹运动。
进一步，每台所述机器人控制器在轨迹点曲线的信息中增加时间戳t_send，根据机器人控制器接收轨迹点的时刻t_recv,以及轨迹点信息中的t_send，确定当前网络时延，对网络时延统计得到抖动特征时间δt。
进一步，所述轨迹点缓冲队列的队列深度d根据δt和轨迹点时间间隔Δt调整，取d＝k_safe*δt/Δt,其中k_safe为安全系数。
进一步，所述机器人控制器还用于根据延时误差调整机器人控制器轨迹段的生成，包括：
设允许的固定时延为ΔT，轨迹点队列导致的时延为ΔTb，任务级规划确定的第n个轨迹点执行时刻为Tn，则期望的第n个轨迹点执行时刻为Tn+ΔT，实际执行时刻为Tn+ΔTb，对于希望多个机器人协同工作的场景，则期望时刻和实际时刻误差ε＝ΔTb-ΔT；
根据ε调整机器人控制器轨迹段的生成，对轨迹段重新规划。
进一步，所述对轨迹段重新规划，包括如下步骤：
设轨迹点曲线上的点位置为：
Figure GDA0002424981710000031
其中：
Figure GDA0002424981710000032
Figure GDA0002424981710000033
对第i+1个轨迹点时刻加入ε相关的修正项f(ε)
t′i+1＝ti+1+f(ε)
通过调节ti+1重新规划修正机器人轨迹段，可以使得(ΔTb-ΔT)→0，从而保证延时的稳定。
根据本发明实施例的用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，
(1)通过增加轨迹点缓冲队列，可以有效消除网络通信抖动对机器人运动造成的不利影响；
(2)根据延时误差重新规划调整机器人控制器轨迹段，使得延时基本稳定在期望值，提高延时稳定性，提高多机器人协同工作时的同步性，特别是根据延时误差重新规划机器人控制器轨迹段，引入误差反馈保证了规划的稳定性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为现有技术的用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统的示意图；
图2为根据本发明实施例的用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统的结构图；
图3为根据本发明实施例的三次样条曲线拼接的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出一种用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，可以在消除抖动影响的同时保证机器人路径精度和跟踪性能。
如图2所示，本发明实施例的用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，包括：任务级处理计算机、多台机器人控制器(1～n)、多台伺服驱动器(1～n)。需要说明的是，一台任务级处理计算机可以同时给多台机器人控制器提供服务。每个机器人控制器对应一台伺服驱动器。
具体地，任务级处理计算机用于根据任务和环境，采集多条机器人轨迹并生成对应的轨迹点曲线，并将多条轨迹点曲线分别发送每台机器人控制器。
任务级处理计算机根据任务和环境，生成机器人轨迹，因为轨迹形式的多样性和复杂性，难以给出解析形式，所以对轨迹采样得到轨迹点，通过网络发送给机器人控制器。每台机器人控制器在接收端设置轨迹点缓冲队列，由轨迹点缓冲队列接收轨迹点曲线，以减少网络抖动的影响，然后由机器人控制器将轨迹点用高阶样条曲线拼接，得到轨迹段，再对轨迹段进行精插补，得到插补点发送给对应的伺服驱动器。伺服驱动器根据来自机器人控制器的插补点指令，驱动机器人按预定轨迹运动。
具体来说，每台机器人控制器在轨迹点曲线的信息中增加时间戳t_send，根据机器人控制器接收轨迹点的时刻t_recv,以及轨迹点信息中的t_send，确定当前网络时延，对网络时延统计得到抖动特征时间δt。
轨迹点缓冲队列的队列深度d根据δt和轨迹点时间间隔Δt调整，取d＝k_safe*δt/Δt,其中k_safe为安全系数。
增大轨迹点缓冲队列可以有效减少网络抖动的影响，但也会引入更大的时延。通常情况下允许一定时延的存在，但期望该值是一个稳定值，特别是要与其他机械单元协同工作的场合。
为解决上述问题，机器人控制器还用于根据延时误差调整机器人控制器轨迹段的生成，包括：
假设允许的固定时延为ΔT，轨迹点队列导致的时延为ΔTb，任务级规划确定的第n个轨迹点执行时刻为Tn，那么期望的第n个轨迹点执行时刻为Tn+ΔT，实际执行时刻为Tn+ΔTb，对于希望多个机器人协同工作的场景，期望时刻和实际时刻误差ε＝ΔTb-ΔT会对各机器人的同步造成困难。为此，本专利根据ε调整机器人控制器轨迹段的生成，对轨迹段重新规划。
具体地，机器人控制器对轨迹段重新规划，包括如下步骤：
轨迹段通常采用样条曲线拼接，以三次样条为例，如图3所示。
样条曲线上的点位置为：
Figure GDA0002424981710000051
其中：
Figure GDA0002424981710000052
Figure GDA0002424981710000053
对第i+1个轨迹点时刻加入ε相关的修正项f(ε)
t′i+1＝ti+1+f(ε)
通过调节ti+1重新规划修正机器人轨迹段，可以使得(ΔTb-ΔT)→0，从而保证延时的稳定。因为引入误差修正，所以该规划方法具有较高的鲁棒性。
综上，机器人控制器接收轨迹点后，将轨迹点用高阶样条曲线拼接，得到轨迹段，轨迹段可以看成是对任务级处理计算机中轨迹的拟合。再对轨迹段进行精插补，得到插补点发送给伺服驱动器，由伺服驱动器驱动机器人按预定轨迹运动。
根据本发明实施例的用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，
(1)通过增加轨迹点缓冲队列，可以有效消除网络通信抖动对机器人运动造成的不利影响；
(2)根据延时误差重新规划调整机器人控制器轨迹段，使得延时基本稳定在期望值，提高延时稳定性，提高多机器人协同工作时的同步性，特别是根据延时误差重新规划机器人控制器轨迹段，引入误差反馈保证了规划的稳定性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (3)

1.一种用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，其特征在于，包括：任务级处理计算机、多台机器人控制器、多台伺服驱动器，其中，
所述任务级处理计算机用于根据任务和环境，采集多条机器人轨迹并生成对应的轨迹点曲线，并将多条轨迹点曲线分别发送每台所述机器人控制器；
每台所述机器人控制器在接收端设置轨迹点缓冲队列，由所述轨迹点缓冲队列接收轨迹点曲线，以减少网络抖动的影响，然后由所述机器人控制器将轨迹点用高阶样条曲线拼接，得到轨迹段，再对轨迹段进行精插补，得到插补点发送给对应的伺服驱动器；
所述伺服驱动器根据来自所述机器人控制器的插补点指令，驱动机器人按预定轨迹运动；
所述机器人控制器还用于根据延时误差调整机器人控制器轨迹段的生成，包括：
设允许的固定时延为ΔT，轨迹点队列导致的时延为ΔTb，任务级规划确定的第n个轨迹点执行时刻为Tn，则期望的第n个轨迹点执行时刻为Tn+ΔT，实际执行时刻为Tn+ΔTb，对于希望多个机器人协同工作的场景，则期望时刻和实际时刻误差ε＝ΔTb-ΔT；
根据ε调整机器人控制器轨迹段的生成，对轨迹段重新规划；
其中，所述对轨迹段重新规划，包括如下步骤：
设轨迹点曲线上的点位置为：
Figure FDA0002424981700000011
其中：
Figure FDA0002424981700000012
Figure FDA0002424981700000013
对第i+1个轨迹点时刻加入ε相关的修正项f(ε)
t′i+1＝ti+1+f(ε)
通过调节ti+1重新规划修正机器人轨迹段，可以使得(ΔTb-ΔT)→0，从而保证延时的稳定。
2.如权利要求1所述的用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，其特征在于，每台所述机器人控制器在轨迹点曲线的信息中增加时间戳t_send，根据机器人控制器接收轨迹点的时刻t_recv,以及轨迹点信息中的t_send，确定当前网络时延，对网络时延统计得到抖动特征时间δt。
3.如权利要求2所述的用于处理机器人网络通信抖动的鲁棒规划系统，其特征在于，所述轨迹点缓冲队列的队列深度d根据δt和轨迹点时间间隔Δt调整，取d＝k_safe*δt/Δt,其中k_safe为安全系数。
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