CN107932509A - 一种用于机器人控制系统的spta加减速插补控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，通过将机器人运行轨迹切分均为K个等距离的小片段，其中,每个小片段为一步，然后通过SPTA算法将脉冲输出频率转换为步数运行频率，计算得到机器人运行时每步的插补周期Ts，并计算得到每步的主转动轴和从转动轴；根据运行轨迹中每步的主转动轴运行参数，控制从转动轴运动，进而实现对机器人的多轴联动控制，本发明设计合理、实用性强，具有良好的连续性，并且保证的运行时加减速的准确性、以及平稳性，另外，通过控制机器人不同转动轴的联动，从而实现控制不同类型的工业机器人，如水平关节机器人及其他非线性运动的工业机器人，避免了现有技术只能控制直角坐标机器人的缺陷，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人控制技术领域，尤其是一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法。
背景技术
现有技术中对机器人运行轨迹的控制主要通过加减速算法进行控制，加减速算法主要包括T(梯形加减速)与S加减速，其中，T形加减速算法分三个阶段：匀加速，匀速，匀减速，该算法具有设计简单，系统开销少，加速时间短，加速快的优点，但是，该算法经常导致加速不平稳，冲量大，特别是加速度较大情况下，冲量更大，容易造成降低精度，降低机械件强度及寿命。
S加减速与T形一样，S加减速分三个阶段，加速，匀速，减速，在加速过程中又细分成加加速、匀加速、减加速三个阶段，减速过程中又细分成加减速、匀加减速、减减速三个阶段，因此构成了七段式S曲线加减速算法。该方法的优点为加速平稳，冲量小，更能提高机器人寿命，其也存在许多不足，具体为：加速时间长，加速速度比梯形慢，系统开销大，对于机器人的高速运转比T形要慢，并且整个过程不是真正意义上的匀加速或匀减速，并且在S形曲线加减速模型速度规划过程中，根据运动路径长度对模型进行分段求解，计算量大，编程复杂，需要的系统资源大，耗费的时间长，由于系统资源有限，从而影响速度规划和插补计算的实时性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，该方法通过控制机器人运行轨迹的连续性，进而提高机器人控制精度。
本发明的技术方案为：一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、获取机器人运行轨迹以及运动方向，并将机器人运行轨迹切分均为K个等距离的小片段，其中,每个小片段为一步，从而将机器人的运行轨迹切分为K步，然后再将整个运动轨迹划分为四个状态，所述的四个状态分别为休闲状态、加速阶段、匀速阶段、减速阶段；
S2)、判断机器人在运动轨迹中所处的状态，并根据所处的状态，每步输出一个脉冲信号，并得到每个脉冲信号的周期Tti，并通过SPTA算法将脉冲信号转换为步数运行频率，并计算得到每步的主转动轴和从转动轴；
S3)、根据运行轨迹中每步的主转动轴运行参数，控制从转动轴运动，进而实现对机器人的多轴联动控制，从而实现对机器人运行轨迹的控制。
进一步的，上述技术方案中，步骤S2)中，还包括：
S201)、判断机器人在运行轨迹上是否处于空闲状态，如果不是，则跳到步骤S202)；
S202)、定义一个长度为T的时间片段，每一步输出一个脉冲信号，通过SPTA算法对每个脉冲信号输出的时间片段T进行累加，计算得到输出每个脉冲信号的周期Tti，其表达式为：Tti＝nT,(n＝1,2,3....N)，
其中，n为第i步时所有转动轴需要的时间片段数；
S203)、计算在第i步时每个转动轴的脉冲数参数pi,j(j＝1,2,....R)，其中，pi,j表示第j个转动轴在第i步的脉冲参数；
S204)、并将最大脉冲参数Maxpi,j对应的转动轴j作为第i步的主转动轴，其他的转动轴均作为第i步的从转动轴，从而确定每步机器人主转动轴、从转动轴需要的脉冲数；
S205)、计算第i步时主转动轴的插补周期Tsi＝mT,其中，m为主转动轴在第i步时需要的时间片段数。
进一步的，上述技术方案中，步骤S3)中，还包括以下步骤：
S301)、通过第i步的主转动轴的插补周期Tsi、以及每步脉冲信号的周期Tti、以及主转动轴的脉冲参数Pi，计算得到主转动轴在第i步时的脉冲输出条件，具体表达式为：
S＝(Pi+1)Tti/TSi；
当S≥1时，表示第一个脉冲输出条件满足，主转动轴输出第一个脉冲信号，否则，表示输出的时间片段数不满足第一个脉冲的输出条件，继续输出该主转动轴的下一时间片段T，直至输出的时间片段数m满足第一个脉冲信号输出条件；
当S≥2时，表示第二个脉冲输出条件满足，主转动轴输出第二个脉冲信号，否则,表示输出的时间片段数m不满足第二个脉冲的输出条件，继续输出该主转动轴的下一时间片段T，直至输出的时间片段数m满足第二个脉冲信号输出条件；
直至主动轴的最后一个脉冲输出条件满足S≥Pi时，主转动轴输出最后一个脉冲信号；
S302)、按照步骤S301)分别计算出其他从转动轴输出脉冲信号条件，并输出相应从转动轴对应的脉冲信号；
S303)根据第i步的主转动轴、从转动轴配合输出的相应的脉冲信号完成机器人第i步的主转动轴、从转动轴的多轴联动控制，从而完成机器人运动轨迹的第i步的运动控制；
S304)、按照步骤S301)-步骤S303)计算得到机器人下一步的主转动轴、从转动轴的脉冲输出条件，通过输出的相应脉冲信号实现机器人运行轨迹的下一步的多轴联动控制，
S305)重复步骤S304)，直至第K步的多轴联动运动控制完成，从而完成运动轨迹的运动控制。
进一步的，主转动轴每输出一个脉冲信号后，均需要判断其他从转动轴是否需要输出相应的脉冲信号，如果是，相应从转动轴输出相应的脉冲信号后，主转动轴再次输出下一个脉冲信号。
本发明的有益效果为：设计合理，适用范围广，通过将机器人的运动轨迹切分成若干步，并计算得到每步的主转动轴和从转动轴，通过每步的相关参数分别控制每步的运行，从而实现机器人的多轴联动运动，使得机器人的运动具有良好的连续性，并且保证的运行时加减速的准确性、以及平稳性，另外，通过控制机器人不同转动轴的联动，从而实现控制不同类型的工业机器人，如水平关节机器人及其他非线性运动的工业机器人，避免了现有技术只能控制直角坐标机器人的缺陷。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、获取机器人运行轨迹以及运动方向，并将机器人运行轨迹切分均为K个等距离的小片段，其中,每个小片段为一步，从而将机器人的运行轨迹切分为K步，然后再将整个运动轨迹划分为四个状态，所述的四个状态分别为休闲状态、加速阶段、匀速阶段、减速阶段；
S2)、判断机器人在运动轨迹中所处的状态，并根据所处的状态，每步输出一个脉冲信号，并得到每个脉冲信号的周期Tti，并通过SPTA算法将脉冲信号转换为步数运行频率，并计算得到每步的主转动轴和从转动轴；
S3)、根据运行轨迹中每步的主转动轴运行参数，控制从转动轴运动，进而实现对机器人的多轴联动控制，从而实现对机器人运行轨迹的控制。
进一步的，上述技术方案中，步骤S2)中，还包括：
S201)、判断机器人在运行轨迹上是否处于空闲状态，如果不是，则跳到步骤S202)；
S202)、定义一个长度为T的时间片段，通过SPTA算法对每个脉冲信号输出的时间片段T进行累加，计算得到输出每个脉冲信号的周期Tti，其表达式为：Tti＝nT,(n＝1,2,3....N)，其中，n为第i步时所有转动轴需要的时间片段数；
S203)、计算在第i步时每个转动轴的脉冲数参数pi,j(j＝1,2,....R)，其中，pi,j表示第j个转动轴在第i步的脉冲参数；
S204)、并将最大脉冲参数Maxpi,j对应的转动轴j作为第i步的主转动轴，其他的转动轴均作为第i步的从转动轴，从而确定每步机器人主转动轴、从转动轴需要的脉冲数；
S205)、计算第i步时主转动轴的插补周期Tsi＝mT,其中，m为主转动轴在第i步时需要的时间片段数。
进一步的，上述技术方案中，步骤S3)中，还包括以下步骤：
S301)、通过第i步的主转动轴的插补周期Tsi、以及每步脉冲信号的周期Tti、以及主转动轴的脉冲参数Pi，计算得到主转动轴在第i步时的脉冲输出条件，具体表达式为：
S＝(Pi+1)Tti/TSi；
当S≥1时，表示第一个脉冲输出条件满足，主转动轴输出第一个脉冲信号，否则，表示输出的时间片段数不满足第一个脉冲的输出条件，继续输出该主转动轴的下一时间片段T，直至输出的时间片段数m满足第一个脉冲信号输出条件；
当S≥2时，表示第二个脉冲输出条件满足，主转动轴输出第二个脉冲信号，否则,表示输出的时间片段数m不满足第二个脉冲的输出条件，继续输出该主转动轴的下一时间片段T，直至输出的时间片段数m满足第二个脉冲信号输出条件；
直至主动轴的最后一个脉冲输出条件满足S≥Pi时，主转动轴输出最后一个脉冲信号；
S302)、按照步骤S301)分别计算出其他从转动轴输出脉冲信号条件，并输出相应从转动轴对应的脉冲信号；
S303)根据第i步的主转动轴、从转动轴配合输出相应的脉冲信号完成机器人第i步的主转动轴、从转动轴的多轴联动控制，从而完成机器人运动轨迹的第i步的运动控制；
S304)、按照步骤S301)-步骤S303)计算得到机器人下一步的主转动轴、从转动轴的脉冲输出条件，通过输出的相应脉冲信号实现机器人运行轨迹的下一步的多轴联动控制，
S305)重复步骤S304)，直至第K步的多轴联动运动控制完成，从而完成运动轨迹的运动控制。
进一步的，所述的主转动轴每输出一个脉冲信号后，均需要判断其他从转动轴是否需要输出相应的脉冲信号，如果是，相应从转动轴输出相应的脉冲信号后，主转动轴再次输出下一个脉冲信号。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (5)
1.一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)、获取机器人运行轨迹以及运动方向，并将机器人运行轨迹切分均为K个等距离的小片段，其中,每个小片段为一步，从而将机器人的运行轨迹切分为K步，然后再将整个运动轨迹划分为四个状态；
S2)、获取机器人在运动轨迹中所处的状态，并根据所处的状态判断是否需要输出脉冲信号，如果是，则每步输出一个脉冲信号，并得到输出每个脉冲信号的周期Tti，并通过SPTA算法将脉冲信号转换为步数运行频率，并计算得到每步的主转动轴和从转动轴；
S3)、根据运行轨迹中每步的主转动轴运行参数，控制从转动轴运动，进而实现对机器人的多轴联动控制，从而实现对机器人运行轨迹的控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，其特征在于，步骤S1)中，所述的四个状态分别为休闲状态、加速阶段、匀速阶段、减速阶段。
3.根据权利要求1所述的一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，其特征在于，步骤S2)中，还包括：
S201)、判断机器人在运行轨迹上是否处于空闲状态，如果不是，则跳到步骤S202)；
S202)、定义一个长度为T的时间片段，每一步输出一个脉冲信号，通过SPTA算法对输出每个脉冲信号的时间片段T进行累加，计算得到输出每个脉冲信号的周期Tti，其表达式为：
Tti＝nT,(n＝1,2,3....N)，
其中，n为第i步时所有转动轴需要的时间片段数；
S203)、计算在第i步时每个转动轴的脉冲数参数pi,j(j＝1,2,....R)，其中，pi,j表示第j个转动轴在第i步的脉冲参数；
S204)、并将最大脉冲参数Maxpi,j对应的转动轴j作为第i步的主转动轴，其他的转动轴均作为第i步的从转动轴，从而确定机器人每步的主转动轴、从转动轴需要的脉冲数；
S205)、计算第i步时主转动轴的插补周期Tsi＝mT,其中，m为主转动轴在第i步时需要的时间片段数。
4.根据权利要求1所述的一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，其特征在于，步骤S3)中，还包括以下步骤：
S301)、通过第i步的主转动轴的插补周期Tsi、以及第i步的脉冲信号的周期Tti、以及主转动轴的脉冲参数Pi，计算得到主转动轴在第i步时的脉冲输出条件，具体表达式为：
S＝(Pi+1)Tti/TSi；
当S≥1时，表示第一个脉冲输出条件满足，主转动轴输出第一个脉冲信号，否则，表示输出的时间片段数不满足第一个脉冲的输出条件，继续输出该主转动轴的下一时间片段T，直至输出的时间片段数m满足第一个脉冲信号输出条件；
当S≥2时，表示第二个脉冲输出条件满足，主转动轴输出第二个脉冲信号，否则,表示输出的时间片段数m不满足第二个脉冲的输出条件，继续输出该主转动轴的下一时间片段T，直至输出的时间片段数m满足第二个脉冲信号输出条件；
直至主动轴的最后一个脉冲输出条件满足S≥Pi时，主转动轴输出最后一个脉冲信号；
S302)、按照步骤S301)分别计算出其他从转动轴输出脉冲信号条件，并输出相应从转动轴对应的脉冲信号；
S303)根据第i步的主转动轴、从转动轴配合输出相应的脉冲信号，完成机器人第i步的主转动轴、从转动轴的多轴联动控制，从而完成机器人运动轨迹的第i步的运动控制；
S304)、按照步骤S301)-步骤S303)计算得到机器人下一步的主转动轴、从转动轴的脉冲输出条件，通过输出的相应脉冲信号实现机器人运行轨迹的下一步的多轴联动控制，
S305)重复步骤S304)，直至第K步的多轴联动运动控制完成，从而完成运动轨迹的运动控制。
5.根据权利要求4所述的一种用于机器人控制系统的SPTA加减速插补控制方法，其特征在于：主转动轴每输出一个脉冲信号后，判断其他从转动轴是否需要输出相应的脉冲信号，如果是，相应从转动轴输出相应的脉冲信号后，主转动轴再次输出下一个脉冲信号。
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