CN107671853B - 开放式机器人轨迹规划控制方法及系统 - Google Patents

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CN107671853B CN201710643410.1A CN201710643410A CN107671853B CN 107671853 B CN107671853 B CN 107671853B CN 201710643410 A CN201710643410 A CN 201710643410A CN 107671853 B CN107671853 B CN 107671853B
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Abstract

本发明公开了一种开放式机器人轨迹规划控制方法及系统，所述开放式机器人轨迹规划控制方法及系统包括：根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手末端执行器按规划轨迹执行任务。开放式机器人轨迹规划控制方法及系统提高系统通用性，简化复杂轨迹的规划过程，减少执行路径长度，提高系统执行效率，并使机械手运动过渡更平滑。

Description

开放式机器人轨迹规划控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种开放式机器人轨迹规划控制方法及系统。
背景技术
机器人轨迹规划问题是机器人领域中最基本、最重要的课题之一。在非标自动化系统中，例如面向3C(Computer计算机、Communication通信和Consumer Electronics消费类电子产品)领域的机器人系统，由于机器人模型参数、传感器型号，以及装配工作台尺寸参数都不是固定的，需要根据现场情况决定，这就要求机器人系统组成中的各个模块是可拆卸添加的，各模块组合模式根据任务需求做具体选择，具有很好的可重构性，提高系统通用性。
另外，为提高系统执行效率，需要进一步改进机器人运动轨迹规划方法，使机械手运动过渡更平滑，相应产生了机器人的最小时间规划问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种开放式机器人轨迹规划控制方法及系统。
为实现上述目的，根据本发明实施例的开放式机器人轨迹规划控制方法及系统，所述开放式机器人轨迹规划控制方法包括：
根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；
根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；
根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手末端执行器按规划轨迹执行任务。
根据本发明的一个实施例，所述空间直线方法具体包括，
根据所述目标定位结果的起点坐标pA(x0,y0,z0)、终点坐标pB(x1,y1,z1),并按照等式，
Figure BDA0001366355090000021
计算直线空间矢量；
将所述直线空间矢量分成N等份；
根据等式，
Figure BDA0001366355090000022
获取所述轨迹规划中各点n对应的坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000023
分别为X轴、Y轴和Z轴单位矢量。
根据本发明的一个实施例，所述平面圆弧规划方法具体包括，
根据所述目标定位结果的第一坐标pA1(x1,y1)，第二坐标pb1(x2,y2)和第三坐标pc1(x3,y3)分别根据等式：
Figure BDA0001366355090000024
获取所述轨迹规划中圆的半径；
根据等式：x＝-D/2，y＝-E/2，获取所述轨迹规划中圆心坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000025
Figure BDA0001366355090000026
Figure BDA0001366355090000027
F＝A-Dx1-Ey1。
根据本发明的一个实施例，所述空间圆弧规划方法具体包括，
根据所述目标定位结果的第一坐标P(x1,y1,z1)、第二坐标Q(x2,y2,z2)和第三坐标S(x3,y3,z3)，并根据等式
Figure BDA0001366355090000028
获取所述轨迹规划中圆的圆心O(x0,y0,z0)；
根据
Figure BDA0001366355090000029
获取所述轨迹规划中圆的半径R；
其中：
A＝y1(z2-z3)-z1(y2-y3)+y2z3-y3z2；
B＝-x1(z2-z3)+z1(x2-x3)-x2z3+x3z2；
C＝x1(y2-y3)-y1(x2-x3)+x2y3-x3y2；
D＝-x1(y2z3-y3z2)+y1(x2z3-x3z2)-z1(x2y3-x3y2)；
A1＝2(x1-x2)；
B1＝2(y1-y2)；
C1＝2(z1-z2)；
Figure BDA00013663550900000210
A2＝2(x1-x3)；
B2＝2(y1-y3)；
C2＝2(z1-z3)；
Figure BDA0001366355090000031
根据本发明的一个实施例，所述空间螺旋曲线规划方法具体包括，
根据所述目标定位结果若为等半径螺旋线，则按照x＝r cos t，y＝r sin t，z＝t进行所述轨迹规划；
其中：
r为螺旋半径，x和y满足x2+y2＝r2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的函数；
若所述目标定位结果为变半径的螺旋线，则按照x＝t cos t，y＝t sin t，z＝2t进行所述轨迹规划；
其中：
x和y满足x2+y2＝t2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的一次函数。
为实现上述目的，根据本发明实施例还提供一种开放式机器人轨迹规划控制系统，所述开放式机器人轨迹规划控制系统包括：
目标定位模块，根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；
运动轨迹控制模块，根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；
机械手控制器根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手末端执行器按规划轨迹执行任务。
根据本发明的一个实施例，所述述运动轨迹控制模块包括空间直线规划模块，所述空间直线规划模块具体包括，直线空间矢量模块、矢量划分模块和坐标获取模块。
所述直线空间矢量模块根据所述目标定位结果的起点坐标pA(x0,y0,z0)、终点坐标pB(x1,y1,z1),并按照等式，
Figure BDA0001366355090000032
计算直线空间矢量；
所述矢量划分模块将所述直线空间矢量分成N等份；
所述坐标获取模块根据等式，
Figure BDA0001366355090000041
获取所述轨迹规划中各点n对应的坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000042
分别为X轴、Y轴和Z轴单位矢量。
根据本发明的一个实施例，所述述运动轨迹控制模块包括平面圆弧规划模块，所述平面圆弧规划模块具体包括，半径获取模块和圆心坐标获取模块；
所述半径获取模块根据所述目标定位结果的第一坐标pA1(x1,y1)，第二坐标pb1(x2,y2)和第三坐标pc1(x3,y3)根据等式：
Figure BDA0001366355090000043
获取所述轨迹规划中圆的半径；
所述圆心坐标获取模块根据等式：x＝-D/2，y＝-E/2，获取所述轨迹规划中圆心坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000044
Figure BDA0001366355090000045
Figure BDA0001366355090000046
F＝A-Dx1-Ey1。
根据本发明的一个实施例，所述述运动轨迹控制模块包括空间螺旋曲线规划模块，所述空间螺旋曲线规划模块具体包括，等半径螺旋线规划模块和变半径的螺旋线规划模块；
所述等半径螺旋线规划模块根据所述目标定位结果若为等半径螺旋线，则按照x＝r cos t，y＝r sin t，z＝t进行所述轨迹规划；
其中：
r为螺旋半径，x和y满足x2+y2＝r2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的函数；
所述变半径的螺旋线规划模块根据所述目标定位结果若为变半径的螺旋线，则按照x＝t cos t，y＝t sin t，z＝2t进行所述轨迹规划；
其中：
x和y满足x2+y2＝t2向上螺旋方法，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的一次函数。
根据本发明的一个实施例，所述述运动轨迹控制模块包括空间圆弧规划模块，所述空间圆弧规划模块具体包括，空间半径获取模块和空间圆心坐标获取模块；
所述空间半径获取模块根据所述目标定位结果的第一坐标P(x1,y1,z1)、第二坐标Q(x2,y2,z2)和第三坐标S(x3,y3,z3)根据
Figure BDA0001366355090000051
获取所述轨迹规划中圆的圆心O(x0,y0,z0)；
空间圆心坐标获取模块根据
Figure BDA0001366355090000052
获取所述轨迹规划中圆的半径R；
其中：
A＝y1(z2-z3)-z1(y2-y3)+y2z3-y3z2；
B＝-x1(z2-z3)+z1(x2-x3)-x2z3+x3z2；
C＝x1(y2-y3)-y1(x2-x3)+x2y3-x3y2；
D＝-x1(y2z3-y3z2)+y1(x2z3-x3z2)-z1(x2y3-x3y2)；
A1＝2(x1-x2)；
B1＝2(y1-y2)；
C1＝2(z1-z2)；
Figure BDA0001366355090000053
A2＝2(x1-x3)；
B2＝2(y1-y3)；
C2＝2(z1-z3)；
Figure BDA0001366355090000054
本发明所述开放式机器人轨迹规划控制方法及系统通过根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；实现了使用目标识别及目标定位的方式自动获取所述机械手末端需要定位目标点；根据所述目标定位结果，合理地选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划；使得轨迹规划方法在应用中通用性强，简化了复杂路径，提高系统执行效率，同时使得机械手运动过渡更平滑简化复杂轨迹的规划过程，减少执行路径长度，并使机械手运动过渡更平滑。
并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手末端执行器按规划轨迹执行任务，从而提高系统执行效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的开放式机器人轨迹规划控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的开放式机器人轨迹规划控制方法的另一流程图；
图3为本发明实施例提供的开放式机器人轨迹规划控制系统的结构框图；
图4为本发明实施例提供的运动轨迹控制模块结构框图；
图5为本发明实施例提供的笛卡尔轨迹规划模块结构框图；
图6为本发明实施例提供的空间直线规划机械手末端轨迹图；
图7为本发明实施例提供的空间直线规划各个关节运动曲线图；
图8为本发明实施例提供的平面圆弧规划机械手末端轨迹图；
图9为本发明实施例提供的平面圆弧规划各个关节运动曲线图；
图10为本发明实施例提供的空间圆弧规划机械手末端轨迹图；
图11为本发明实施例提供的空间圆弧规划各个关节运动曲线图；
图12为本发明实施例提供的等半径空间螺旋曲线规划机械手末端轨迹图；
图13为本发明实施例提供的变半径空间螺旋曲线规划机械手末端轨迹图。
附图标记：
目标定位模块10；
目标信号采集101；
目标信号处理与定位102；
运动轨迹控制模块20；
笛卡尔轨迹规划模块201；
空间直线规划模块2011；
平面圆弧规划模块2012；
空间圆弧规划模块2013；
空间螺旋曲线规划模块2104；
运动学模型建立模块202；
正逆运动学求解模块203；
关节插值运算模块204；
任务调度模块30；
机械手控制器40；
机械手50；
XML参数配置模块60；
用户视图模块70。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
实施例一：
参阅图1、图3；图1为本发明实施例提供的开放式机器人轨迹规划控制方法的流程图；图3为本发明实施例提供的开放式机器人轨迹规划控制系统的结构框图。
所述开放式机器人轨迹规划控制系统包括任务调度模块30、目标定位模块10、运动轨迹控制模块20、XML参数配置模块60、机械手控制器40、机械手50和用户视图模块70。
所述任务调度模块30分别与所述目标定位模块10、运动轨迹控制模块20、XML(Extensible Markup Language可扩展标记语言)参数配置模块60和用户视图模块70连接；所述运动轨迹控制模块20还与所述机械手控制器40连接；所述机械手控制器40还与所述机械手50连接。
所述XML参数配置模块60接收输入的配置信息，将所述配置信息写入所述配置文件中；
所述任务调度模块30读取配置文件中的配置参数；
所述任务调度模块30根据配置信息发送目标定位命令；
目标定位模块10根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；
所述任务调度模块30接收所述目标定位结果，并将所述目标定位结果进行转发；
运动轨迹控制模块20根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；
机械手控制器40根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手50末端执行器按规划轨迹执行任务；
所述用户视图模块70用于显示系统的各类信息。
具体的，在进行系统操作时，通过所述用户视图模块70读取系统信息，所述系统信息包括当前系统的配置信息。此时，根据作业要求，通过所述XML参数配置模块60对所述系统信息进行配置。所述任务调度模块30读取配置的所述系统信息，并根据配置的所述系统信息向所述目标定位模块10发送目标定位命令，所述目标定位模块10根据所述目标定位命令进行目标信息的采集，所述目标信息的采集为通过所述系统上的摄像头对目标信息的采集。所述目标可以具体为电路板上的设定标记的标识。
在一些实际应用中，可为目标电路板的定位孔，所述目标定位模块10通过控制所述摄像头对所述目标电路板上的所述进行图像的采集，并将所述采集的图像进行识别，所述识别的方法可以为将采集的所述图像与预存的具有定位孔的图像进行比较，若采集的所述图像与所述预存的具有定位孔的图像的相似度超过设定值，则认为所述采集的所述图像的位置为定位点。
所述目标定位模块10将定位结果发送至所述任务调度模块30，所述任务调度模块30接收所述目标定位结果，并将所述目标定位结果进行转发至所述运动轨迹控制模块20。所述运动轨迹控制模块20根据所述目标定位结果，合理地选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；将所述运动轨迹控制参数发送至所述机械手控制器40，所述机械手控制器40根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手50末端执行器按规划轨迹执行任务。
更加具体的，继续参阅图3，和图4，图4为本发明实施例提供的运动轨迹控制模块20结构框图；
所述运动轨迹控制模块20包括，笛卡尔轨迹规划模块201；运动学模型建立模块202；正逆运动学求解模块203；关节插值运算模块204。
所述运动学模型建立模块202与所述笛卡尔轨迹规划模块201连接，所述笛卡尔轨迹规划模块201还与所述正逆运动学求解模块203连接，所述正逆运动学求解模块203与所述关节插值运算模块204连接。
所述笛卡尔轨迹规划模块201用于所述机械手50运动轨迹的规划。
所述运动学模型建立模块202用于对所述机械手50的运动轨迹建立数学模型。
所述正逆运动学求解模块203，其中所述正运动学求解用于已知各个轴的旋转角，求出末端的位置以及姿态；所述逆运动学求解是用于在末端位姿已知的情况下，求出每个轴的旋转角。
所述关节插值运算模块204用于在各关节的起始位置和终止位置已知的情况下，求出位移与时间关系。
参阅图5，图示为本发明实施例提供的笛卡尔轨迹规划模块201结构框图；
进一步地，在本发明实施中，所述笛卡尔轨迹规划模块201包括空间直线规划模块2011、平面圆弧规划模块2012、空间圆弧规划模块2013、空间螺旋曲线规划模块2104。
参阅图6和图7，图6为本发明实施例提供的空间直线规划机械手50末端轨迹图；图7为本发明实施例提供的空间直线规划各个关节运动曲线图。
根据本发明的一个实施例，所述空间直线规划模块2011具体包括，直线空间矢量模块、矢量划分模块和坐标获取模块。
所述直线空间矢量模块根据所述目标定位结果的起点坐标pA(x0,y0,z0)、终点坐标pB(x1,y1,z1),并按照等式，
Figure BDA0001366355090000091
计算直线空间矢量；
所述矢量划分模块将所述直线空间矢量分成N等份；
所述坐标获取模块根据等式，
Figure BDA0001366355090000092
获取所述轨迹规划中各点n对应的坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000101
分别为X轴、Y轴和Z轴单位矢量。
参阅图8和图9；图8为本发明实施例提供的平面圆弧规划机械手50末端轨迹图；图9为本发明实施例提供的平面圆弧规划各个关节运动曲线图；
根据本发明的一个实施例，所述平面圆弧规划模块2012具体包括半径获取模块和圆心坐标获取模块；
所述半径获取模块根据所述目标定位结果的第一坐标pA1(x1,y1)，第二坐标pb1(x2,y2)和第三坐标pc1(x3,y3)分别根据等式：
Figure BDA0001366355090000102
获取所述轨迹规划中圆的半径；
所述圆心坐标获取模块根据等式，x＝-D/2，y＝-E/2，获取所述轨迹规划中圆心坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000103
Figure BDA0001366355090000104
Figure BDA0001366355090000105
F＝A-Dx1-Ey1。
参阅图10和图11；图10为本发明实施例提供的空间圆弧规划机械手50末端轨迹图；图11为本发明实施例提供的空间圆弧规划各个关节运动曲线图；
根据本发明的一个实施例，所述空间圆弧规划模块2013具体包括，空间半径获取模块和空间圆心坐标获取模块；
所述空间半径获取模块根据所述目标定位结果的第一坐标P(x1,y1,z1)、第二坐标Q(x2,y2,z2)和第三坐标S(x3,y3,z3)，并根据
Figure BDA0001366355090000106
获取所述轨迹规划中圆的圆心O(x0,y0,z0)；
所述空间圆心坐标获取模块根据
Figure BDA0001366355090000107
获取所述轨迹规划中圆的半径R；
其中：
A＝y1(z2-z3)-z1(y2-y3)+y2z3-y3z2；
B＝-x1(z2-z3)+z1(x2-x3)-x2z3+x3z2；
C＝x1(y2-y3)-y1(x2-x3)+x2y3-x3y2；
D＝-x1(y2z3-y3z2)+y1(x2z3-x3z2)-z1(x2y3-x3y2)；
A1＝2(x1-x2)；
B1＝2(y1-y2)；
C1＝2(z1-z2)；
Figure BDA0001366355090000111
A2＝2(x1-x3)；
B2＝2(y1-y3)；
C2＝2(z1-z3)；
Figure BDA0001366355090000112
进一步地，根据本发明的一个实施例，所述平面圆弧规划模块2012还包括，平面坐标转换模块、平面半径转换模块和平面圆心转换模块；
所述平面坐标转换模块将所述圆心O(x0,y0,z0)作为原点，所述P，Q，S三点所在的平面作为XOY平面，经过圆心并垂直于XOY平面的直线作为Z轴建立新坐标系；
所述平面半径转换模块将所述轨迹规划中圆的半径R转换为所述XOY平面的圆的半径；
所述平面圆心转换模块将所述轨迹规划中圆心O(x0,y0,z0)转换为所述XOY平面的圆心坐标。
具体的，将原坐标系下的点通过平移和旋转变换转换成新坐标系下的点。因此，可先以新坐标系为基准，做平面上的圆弧规划，然后将求得的规划点转换到原坐标系，从而控制机器人在空间上走圆弧轨迹。
参阅图12和图13；图12为本发明实施例提供的等半径空间螺旋曲线规划机械手50末端轨迹图；图13为本发明实施例提供的变半径空间螺旋曲线规划机械手50末端轨迹图。
根据本发明的一个实施例，所述空间螺旋曲线规划模块2104具体包括，等半径螺旋线规划模块和变半径的螺旋线规划模块。
所述等半径螺旋线规划模块根据所述目标定位结果若为等半径螺旋线，则按照x＝r cos t，y＝r sin t，z＝t进行所述轨迹规划；
其中r为螺旋半径，x和y满足x2+y2＝r2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的函数；
所述变半径的螺旋线规划模块根据所述目标定位结果若为变半径的螺旋线，则按照x＝t cos t，y＝t sin t，z＝2t进行所述轨迹规划；
其中采用x2+y2＝t2向上螺旋方法，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的一次函数。
实施例二：
所述开放式机器人轨迹规划控制方法包括：
S101根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；
S102根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；
S103根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手50末端执行器按规划轨迹执行任务。
实施例三：
参阅图2、图3，图2为本发明实施例提供的开放式机器人轨迹规划控制方法的另一流程图；图3为本发明实施例提供的开放式机器人轨迹规划控制系统的结构框图。
S201接收输入的配置信息，并将所述配置信息写入所述配置文件中；
S202读取配置文件中的配置参数；
S203根据配置信息发送目标定位命令；
S204根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；
S205接收所述目标定位结果，并将所述目标定位结果进行转发；
S206根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；
S207根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手50末端执行器按规划轨迹执行任务。
参阅图6和图7，图6本发明实施例提供的空间直线规划机械手50末端轨迹图；图7本发明实施例提供的空间直线规划各个关节运动曲线图。
根据本发明的一个实施例，所述空间直线方法具体包括，
S301根据所述目标定位结果的起点坐标pA(x0,y0,z0)、终点坐标pB(x1,y1,z1),并按照等式，
Figure BDA0001366355090000131
计算直线空间矢量；
S302将所述直线空间矢量分成N等份；
S303根据等式，
Figure BDA0001366355090000132
获取所述轨迹规划中各点n对应的坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000133
分别为X轴、Y轴和Z轴单位矢量。
参阅图7和图8；图7为本发明实施例提供的平面圆弧规划机械手50末端轨迹图；图8为本发明实施例提供的平面圆弧规划各个关节运动曲线图；
根据本发明的一个实施例，所述平面圆弧规划方法具体包括，
S401根据所述目标定位结果的第一坐标pA1(x1,y1)，第二坐标pb1(x2,y2)和第三坐标pc1(x3,y3)分别根据等式：
Figure BDA0001366355090000134
获取所述轨迹规划中圆的半径；
S402根据等式，x＝-D/2，y＝-E/2，获取所述轨迹规划中圆心坐标；
其中：
Figure BDA0001366355090000135
Figure BDA0001366355090000136
Figure BDA0001366355090000137
F＝A-Dx1-Ey1。
参阅图10和图11；图10为本发明实施例提供的空间圆弧规划机械手50末端轨迹图；图11为本发明实施例提供的空间圆弧规划各个关节运动曲线图；
根据本发明的一个实施例，所述空间圆弧规划方法具体包括，
S501根据所述目标定位结果的第一坐标P(x1,y1,z1)、第二坐标Q(x2,y2,z2)和第三坐标S(x3,y3,z3)，并根据
Figure BDA0001366355090000138
获取所述轨迹规划中圆的圆心O(x0,y0,z0)；
S502根据
Figure BDA0001366355090000139
获取所述轨迹规划中圆的半径R；
其中：
A＝y1(z2-z3)-z1(y2-y3)+y2z3-y3z2；
B＝-x1(z2-z3)+z1(x2-x3)-x2z3+x3z2；
C＝x1(y2-y3)-y1(x2-x3)+x2y3-x3y2；
D＝-x1(y2z3-y3z2)+y1(x2z3-x3z2)-z1(x2y3-x3y2)；
A1＝2(x1-x2)；
B1＝2(y1-y2)；
C1＝2(z1-z2)；
Figure BDA0001366355090000141
A2＝2(x1-x3)；
B2＝2(y1-y3)；
C2＝2(z1-z3)；
Figure BDA0001366355090000142
根据本发明的一个实施例，还包括，
S503将所述圆心O(x0,y0,z0)作为原点，所述P，Q，S三点所在的平面作为XOY平面，经过圆心并垂直于XOY平面的直线作为Z轴建立新坐标系；
S504将所述轨迹规划中圆的半径R转换为所述XOY平面的圆的半径；
S505将所述轨迹规划中圆心O(x0,y0,z0)转换为所述XOY平面的圆心坐标。
参阅图12和图13；图12为本发明实施例提供的等半径空间螺旋曲线规划机械手50末端轨迹图；图13为本发明实施例提供的变半径空间螺旋曲线规划机械手50末端轨迹图。
根据本发明的一个实施例，所述空间螺旋曲线规划方法具体包括，
S601根据所述目标定位结果若为等半径螺旋线，则按照x＝r cos t，y＝r sin t，z＝t进行所述轨迹规划；
其中r为螺旋半径，x和y满足x2+y2＝r2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的函数；
S602若所述目标定位结果为变半径的螺旋线，则按照x＝t cos t，y＝t sin t，z＝2t进行所述轨迹规划；
其中采用x2+y2＝t2向上螺旋方法，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的一次函数。
需要说明的是，由于方法实施例与系统实施例的功能一一对应，为了简洁和阅读方便，在此不重复叙述。
本发明所述开放式机器人轨迹规划控制方法及系统通过根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；实现了使用目标识别及目标定位的方式自动获取所述机械手50末端需要定位目标点；根据所述目标定位结果，合理地选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划；使得轨迹规划方法在应用中通用性强，简化了复杂路径，提高系统执行效率，同时使得机械手50运动过渡更平滑简化复杂轨迹的规划过程，减少执行路径长度，并使机械手50运动过渡更平滑。
并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；根据所述运动轨迹控制参数控制所述机械手50末端执行器按规划轨迹执行任务，从而提高系统执行效率。
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个非易失性计算机可读取存储介质中。实现上述各软件功能单元的功能的相关程序指令存储在所述非易失性计算机可读取存储介质中，所述程序指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置、智能终端设备等)或处理器(Processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上仅为本发明的实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
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。

Claims (8)

1.一种开放式机器人轨迹规划控制方法，其特征在于，所述开放式机器人轨迹规划控制方法包括：
根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；
根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；
根据所述运动轨迹控制参数控制机械手末端执行器按规划轨迹执行任务；
其中，所述空间螺旋曲线规划方法具体包括，根据所述目标定位结果若为等半径螺旋线，则按照x＝rcost，y＝rsint，z＝t进行所述轨迹规划；其中：r为螺旋半径，x和y满足x2+y2＝r2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的函数；
若所述目标定位结果为变半径的螺旋线，则按照x＝tcost，y＝tsint，z＝2t进行所述轨迹规划；其中：x和y满足x2+y2＝t2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的一次函数。
2.根据权利要求1所述的开放式机器人轨迹规划控制方法，其特征在于,所述空间直线方法具体包括，
根据所述目标定位结果的起点坐标pA(x0,y0,z0)、终点坐标pB(x1,y1,z1),并按照等式，
Figure QLYQS_1
计算直线空间矢量；
将所述直线空间矢量分成N等份；
根据等式，
Figure QLYQS_2
获取所述轨迹规划中各点n对应的坐标；
其中：
Figure QLYQS_3
分别为X轴、Y轴和Z轴单位矢量。
3.根据权利要求1所述的开放式机器人轨迹规划控制方法，其特征在于，所述平面圆弧规划方法具体包括，
根据所述目标定位结果的第一坐标pA1(x1,y1)，第二坐标pb1(x2,y2)和第三坐标pc1(x3,y3)，并根据等式：
Figure QLYQS_4
获取所述轨迹规划中圆的半径；
根据等式：x＝-D/2，y＝-E/2，获取所述轨迹规划中圆心坐标；
其中：
Figure QLYQS_5
Figure QLYQS_6
Figure QLYQS_7
F＝A-Dx1-Ey1。
4.根据权利要求1所述的开放式机器人轨迹规划控制方法，其特征在于，所述空间圆弧规划方法具体包括，
根据所述目标定位结果的第一坐标P(x1,y1,z1)、第二坐标Q(x2,y2,z2)和第三坐标S(x3,y3,z3)，并根据等式
Figure QLYQS_8
获取所述轨迹规划中圆的圆心O(x0,y0,z0)；
根据
Figure QLYQS_9
获取所述轨迹规划中圆的半径R；
其中：
A＝y1(z2-z3)-z1(y2-y3)+y2z3-y3z2；
B＝-x1(z2-z3)+z1(x2-x3)-x2z3+x3z2；
C＝x1(y2-y3)-y1(x2-x3)+x2y3-x3y2；
D＝-x1(y2z3-y3z2)+y1(x2z3-x3z2)-z1(x2y3-x3y2)；
A1＝2(x1-x2)；
B1＝2(y1-y2)；
C1＝2(z1-z2)；
Figure QLYQS_10
A2＝2(x1-x3)；
B2＝2(y1-y3)；
C2＝2(z1-z3)；
Figure QLYQS_11
5.一种开放式机器人轨迹规划控制系统，其特征在于，所述开放式机器人轨迹规划控制系统包括：
目标定位模块，根据目标定位命令采集目标信息并进行目标定位；
运动轨迹控制模块，根据所述目标定位结果，选择笛卡尔坐标系下的空间直线、平面圆弧、空间圆弧、空间螺旋曲线中的不少于一种轨迹规划方法进行轨迹规划，并对所述轨迹规划进行逆运动学求解和关节空间插值运算，生成运动轨迹控制参数；
机械手控制器根据所述运动轨迹控制参数控制机械手末端执行器按规划轨迹执行任务；
其中，所述运动轨迹控制模块包括空间螺旋曲线规划模块，所述空间螺旋曲线规划模块具体包括，等半径螺旋线规划模块和变半径的螺旋线规划模块；
所述等半径螺旋线规划模块根据所述目标定位结果若为等半径螺旋线，则按照x＝rcost，y＝rsint，z＝t进行所述轨迹规划；
其中：
r为螺旋半径，x和y满足x2+y2＝r2，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的函数；
所述变半径的螺旋线规划模块根据所述目标定位结果若为变半径的螺旋线，则按照x＝tcost，y＝tsint，z＝2t进行所述轨迹规划；
其中：
x和y满足x2+y2＝t2向上螺旋方法，t表示轨迹规划的时间，z是一个与时间相关的一次函数。
6.根据权利要求5所述的开放式机器人轨迹规划控制系统，其特征在于，所述述运动轨迹控制模块包括空间直线规划模块，所述空间直线规划模块具体包括，直线空间矢量模块、矢量划分模块和坐标获取模块；
所述直线空间矢量模块根据所述目标定位结果的起点坐标pA(x0,y0,z0)、终点坐标pB(x1,y1,z1),并按照等式，
Figure QLYQS_12
计算直线空间矢量；
所述矢量划分模块将所述直线空间矢量分成N等份；
所述坐标获取模块根据等式，
Figure QLYQS_13
获取所述轨迹规划中各点n对应的坐标；
其中：
Figure QLYQS_14
分别为X轴、Y轴和Z轴单位矢量。
7.根据权利要求5所述的开放式机器人轨迹规划控制系统，其特征在于，所述述运动轨迹控制模块包括平面圆弧规划模块，所述平面圆弧规划模块具体包括，半径获取模块和圆心坐标获取模块；
所述半径获取模块根据所述目标定位结果的第一坐标pA1(x1,y1)，第二坐标pb1(x2,y2)和第三坐标pc1(x3,y3)，并根据等式：
Figure QLYQS_15
获取所述轨迹规划中圆的半径；
所述圆心坐标获取模块根据等式：x＝-D/2，y＝-E/2，获取所述轨迹规划中圆心坐标；
其中：
Figure QLYQS_16
Figure QLYQS_17
Figure QLYQS_18
F＝A-Dx1-Ey1。
8.根据权利要求5所述的开放式机器人轨迹规划控制系统，其特征在于，所述述运动轨迹控制模块包括空间圆弧规划模块，所述空间圆弧规划模块具体包括，空间半径获取模块和空间圆心坐标获取模块；
所述空间半径获取模块根据所述目标定位结果的第一坐标P(x1,y1,z1)、第二坐标Q(x2,y2,z2)和第三坐标S(x3,y3,z3)根据
Figure QLYQS_19
获取所述轨迹规划中圆的圆心O(x0,y0,z0)；
空间圆心坐标获取模块根据
Figure QLYQS_20
获取所述轨迹规划中圆的半径R；
其中：
A＝y1(z2-z3)-z1(y2-y3)+y2z3-y3z2；
B＝-x1(z2-z3)+z1(x2-x3)-x2z3+x3z2；
C＝x1(y2-y3)-y1(x2-x3)+x2y3-x3y2；
D＝-x1(y2z3-y3z2)+y1(x2z3-x3z2)-z1(x2y3-x3y2)；
A1＝2(x1-x2)；
B1＝2(y1-y2)；
C1＝2(z1-z2)；
Figure QLYQS_21
A2＝2(x1-x3)；
B2＝2(y1-y3)；
C2＝2(z1-z3)；
Figure QLYQS_22
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