CN108415427B - 机器人多步连续运动的路径拼接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明机器人多步连续运动的路径拼接方法创建命令队列，执行时分为预计算和轨迹输出两个任务。先把前两个命令压入队列，预计算任务收到命令后执行计算步骤(1)‑(4)以获取拼接参数。然后预计算任务将拼接参数发给轨迹输出任务，由轨迹输出任务输出机器人运动轨迹。接着将第3个命令压入队列，预计算任务接收命令并等待。机器人运动至拼接段结束时，预计算任务按照步骤(1)‑(4)立即计算第2个命令和第3个命令的拼接参数，并发送给轨迹输出任务。轨迹输出任务接着前面拼接段继续向前运动。下一条命令压入队列，重复下去，实现多步连续运动。本发明实现了连续运动，并设有安全运行机制，输入命令错误或者下发时间超时均能安全停止。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是一种机器人多步连续运动的路径拼接方法。
背景技术
工业机器人常见应用包括涂胶、焊接、组装、搬运等场景，工作效率要求高，机器人必须提高运动性能，缩短节拍时间，以适应高生产效率的需求。缩短节拍时间的一个常见方法就是机器人多步连续运动，中间不停止。另外像涂胶、焊接等要求精准轨迹控制的工艺，也要求机器人具有多步连续运动能力，实现复杂工艺下的运动轨迹。因此多步连续运动是工业机器人必备的一项基本运动能力，分析其性能优劣可从以下几方面考虑：(1)拼接过渡是否平滑；(2)拼接条件要求是否较高；(3)意外情况是否能自动处理；(4)拼接步数是否有限制等。
已知机器人多步连续运动的路径拼接方法，在具体实现上有很多种不同算法，表现出的效果也不尽相同，归纳起来主要有如下问题：(1)相邻段速度必须相等，这个要求偏高；(2)相邻两段轨迹在拼接点位置的速度加速度不连续，低速下不明显，中高速明显；(3)逼近条件要求高，某些特殊情况难以处理；(4)运动步数有限制；(5)意外出错等情况没有自动处理措施。上述问题制约着多步连续运动的性能，必须想办法改善或解决。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种机器人多步连续运动的路径拼接方法，其对运动条件要求低，拼接位置连续光滑，运动步数无限制，出错时能自动处理，具有良好的性能。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机器人多步连续运动的路径拼接方法，包括如下步骤：
S1.创建命令队列；
S2.把第1、2个命令压入队列，预计算任务收到命令后执行如下计算以获取拼接参数：(1)计算第一段轨迹参数，(2)计算第二段轨迹参数，(3)计算拼接点信息，(4)计算拼接段轨迹参数；
S3.预计算任务将拼接参数发给轨迹输出任务，由轨迹输出任务输出机器人的运动轨迹；
S4.将第3个命令压入队列，预计算任务接收命令并等待；
S5.机器人运动至拼接段结束时，预计算任务按照步骤(1)-(4)立即计算第2个命令和第3个命令的拼接参数，并发送给轨迹输出任务，轨迹输出任务接着前面拼接段继续向前运动；
S6.将下一个命令依次压入队列，重复进行步骤S4和S5，实现多步连续运动。
作为本发明的进一步改进，所述预计算任务要求及时响应，定周期运行或非定周期运行，所述轨迹输出任务必须定周期运行。
作为本发明的进一步改进，所述方法采用队列方式下发命令，运动步数无限制。
作为本发明的进一步改进，开始运动时，必须下发两个运动命令，其后每次下发一个运动命令。
作为本发明的进一步改进，用于计算拼接点位置的拼接条件是相对值和绝对值的其中一种。
作为本发明的进一步改进，每次在轨迹输出任务执行到拼接段结束时，立即开始预计算任务，并且必须在轨迹输出任务的下一周期来临之前，完成预计算中所有拼接参数的计算步骤(1)-(4)。
作为本发明的进一步改进，每次拼接参数计算完毕后，若继续拼接则立即返回步骤S4，接收下一条命令；所述预计算任务收到新的运动命令后等待，准备执行步骤S5。
作为本发明的进一步改进，所述轨迹输出的顺序如下：(1)输出第一段轨迹，(2)输出第一段和第二段的拼接段，(3)输出第二段轨迹，(4)输出第二段和第三段的拼接段，(5)输出第三段轨迹，…，(n-1)输出第n-1段和第n段的拼接段，(n)输出第n段轨迹，亦是最后一段，运动停止。
作为本发明的进一步改进，所述非拼接段采用T型、S型和Minimum Jerk型运动轨迹的其中一种，所述拼接段采用高阶样条曲线，至少5阶以上，以保证拼接点的位移、速度和加速度连续。
作为本发明的进一步改进，若输入命令有错误或者下发时间超时，机器人正常运动到最后一个正确命令的位置并停止。
本发明的有益效果是：本发明机器人多步连续运动的路径拼接方法在输入命令错误或者下发时间超时的情况下，均能够自动处理，基于所述错误处理流程，机器人均能正常运动到最后一个正确命令的位置并停止，因而本发明机器人多步连续运动的路径拼接方法安全可靠。
附图说明
图1为本发明提供的机器人多步连续运动的路径拼接方法中拼接参数的计算流程。
图2为本发明提供的机器人多步连续运动的路径拼接方法中路径拼接控制流程。
图3为机器人相邻两步路径拼接示意图。
图4为本发明提供的机器人多步连续运动的路径拼接方法中关于拼接条件的图解说明。
图5为本发明提供的机器人多步连续运动的路径拼接方法第一实施例的关节空间路径拼接示意图。
图6为本发明提供的机器人多步连续运动的路径拼接方法第二实施例的笛卡尔空间直线-直线路径拼接示意图。
图7为本发明提供的机器人多步连续运动的路径拼接方法第三实施例的笛卡尔空间直线-圆弧-直线路径拼接示意图。
图8为本发明提供的机器人多步连续运动的路径拼接方法第四实施例的关节空间拼接时未收到命令自动停止示意图。
具体实施方式
请参考图1至图8，本发明系一种机器人多步连续运动的路径拼接方法，其包括如下步骤：
S1.创建命令队列；
S2.把第1、2个命令压入队列，预计算任务收到命令后执行如下计算以获取拼接参数：(1)计算第一段轨迹参数，(2)计算第二段轨迹参数，(3)计算拼接点信息，(4)计算拼接段轨迹参数；
S3.预计算任务将拼接参数发给轨迹输出任务，由轨迹输出任务输出机器人的运动轨迹；
S4.将第3个命令压入队列，预计算任务接收命令并等待；
S5.机器人运动至拼接段结束时，预计算任务按照步骤(1)-(4)立即计算第2个命令和第3个命令的拼接参数，并发送给轨迹输出任务，轨迹输出任务接着前面拼接段继续向前运动；
S6.将下一个命令依次压入队列，重复进行步骤S4和S5，实现多步连续运动。
所述第一段轨迹是泛指任意两个指令做拼接运动时的前面那个指令的轨迹，第二段轨迹是泛指任意两个指令做拼接运动时的后面那个指令的轨迹。所述(1)和(2)的轨迹参数是计算机器人运动轨迹的必要参数，举例包括：运动主轴(时间较长的轴)、主轴速度加速度、其它从轴位移比例以及空间运动时的插补参数等。所述(4)的轨迹参数与拼接段所用模型有关，一般采用高阶样条曲线模型，轨迹参数包括：运动总点数、拼接点坐标、基准线轨迹以及一些插补参数等。所述计算两段拼接点信息的依据是第一个指令中设置的拼接条件。拼接条件可以是相对值或绝对值。相对值是指每段最大运动速度的百分比，以百分数表示，按照这个百分数去寻找第一段结束时的拼接点和第二段开始时的拼接点。绝对值是指每段轨迹上距离两段相交点的距离或角度，以毫米或角度表示，按照这个距离或角度去寻找第一段结束时的拼接点和第二段开始时的拼接点。所述计算拼接段所用的拼接条件，完全按照国际标准来定义和使用，对于绝大多数相邻轨迹拼接情况，在拼接条件正常设置下均能准确找到拼接点，拼接情况限制少、要求低。上述所有预计算得到的参数，需要发给轨迹输出任务，用于计算输出实时轨迹。
所述预计算任务要求及时响应，定周期运行或非定周期运行，轨迹输出任务必须定周期运行。
所述方法采用队列方式下发命令，运动步数无限制。
开始运动时，必须下发两个运动命令，其后每次下发一个运动命令。
用于计算拼接点位置的拼接条件是相对值和绝对值的其中一种。相对值指的是百分数；绝对值指的是距离或者度。
每次在轨迹输出任务执行到拼接段结束时，立即开始预计算任务，并且必须在轨迹输出任务的下一周期来临之前，完成预计算中所有拼接参数的计算步骤(1)-(4)。
每次拼接参数计算完毕后，若继续拼接则立即返回步骤S4，接收下一条命令；所述预计算任务收到新的运动命令后等待，准备执行步骤S5。
所述轨迹输出的顺序如下：(1)输出第一段轨迹，(2)输出第一段和第二段的拼接段，(3)输出第二段轨迹，(4)输出第二段和第三段的拼接段，(5)输出第三段轨迹，…，(n-1)输出第n-1段和第n段的拼接段，(n)输出第n段轨迹，亦是最后一段，运动停止。
对于一次完整的路径拼接过程，计算步骤如下：
(1)输出第一段轨迹，运动至第一段末尾拼接点；
(2)输出第一段和第二段的拼接段轨迹；
(3)接第二段开头拼接点，输出第二段轨迹，运动至第二段末尾拼接点；
(4)输出第二段和第三段的拼接段轨迹；
(5)接第三段开头拼接点，输出第三段轨迹，运动至第三段末尾拼接点；
…
(n-1)输出倒数第二段和最后一段的拼接段轨迹；
(n)接最后一段开头拼接点，输出最后一段轨迹，直至停止。
整个路径拼接的控制流程如下：
(1)第一个命令压入队列，预计算任务接收第一个命令，保存参数，参数带拼接，命令返回；
(2)第二个命令压入队列，预计算任务接收第二个命令，保存参数，参数带拼接，计算第一段、第二段、拼接段所需拼接参数，发送给轨迹输出任务；
(3)预计算任务通知轨迹输出任务开始运动，命令返回；
(4)轨迹输出任务开始输出第一段轨迹；
(5)第三个命令压入队列，预计算任务接收第三个命令，保存参数，参数带拼接，等待轨迹输出任务通知；
(6)轨迹输出任务走完第一段和拼接段，到达拼接段结束点，通知预计算任务开始计算下一段；
(7)预计算任务立即计算第二段、第三段、拼接段所需拼接参数，并发送给轨迹输出任务；
(8)预计算任务通知轨迹输出任务继续运动，命令返回；
(9)轨迹输出任务继续输出第二段轨迹；
(10)第四个命令压入队列，预计算任务接收第四个命令，保存参数，参数带拼接，等待轨迹输出任务通知；
(11)轨迹输出任务走完第二段和拼接段，到达拼接段结束点，通知预计算任务开始计算下一段；
(12)预计算任务立即计算第三段、第四段、拼接段所需拼接参数，并发送给轨迹输出任务；
(13)预计算任务通知轨迹输出任务继续运动，命令返回；
(14)轨迹输出任务继续输出第三段轨迹；
(15)第五个命令压入队列，预计算任务接收第五个命令，保存参数，参数带拼接，等待轨迹输出任务通知；
(16)…
(17)第n个命令压入队列，预计算任务接收第n个命令，保存参数，参数不带拼接，等待轨迹输出任务通知；
(18)轨迹输出任务走完第n-2段和拼接段，到达拼接段结束点，通知预计算任务开始计算下一段；
(19)预计算任务立即计算第n-1段、第n段、拼接段所需拼接参数，发送给轨迹输出任务；
(20)预计算任务通知轨迹输出任务继续运动，命令阻塞，等待运动完成；
(21)轨迹输出任务继续输出第n-1段轨迹，然后输出拼接段，到达拼接段结束点，通知预计算任务开始计算下一段；
(22)预计算任务不再拼接，不做任何计算，通知轨迹输出任务继续运动，命令阻塞，等待运动完成；
(23)轨迹输出任务继续输出第n段轨迹，运动结束，通知预计算任务；
(24)预计算任务，命令返回，本次路径拼接任务结束。
所述路径拼接的控制流程中，第一次拼接需要压入两个命令，以后每一次拼接压入一个命令。路径拼接最少需要两个命令，命令增加没有上限。所述预计算任务要求及时响应，可以定周期也可以非定周期，轨迹输出任务必须定周期运行。
所述非拼接段采用T型、S型和Minimum Jerk型运动轨迹的其中一种，所述拼接段采用高阶样条曲线，至少5阶以上，以保证拼接点的位移、速度和加速度连续。
命令段就是非拼接段。对于相邻命令段的运动参数不要求相同，比如速度和加速度，允许各自定义，其原因在于拼接段轨迹采用高阶样条曲线，可以做速度渐变。所述开头拼接点和末尾拼接点，均是在预计算任务中提前计算获得。第一段只有末尾拼接点没有开头拼接点，最后一段只有开头拼接点没有末尾拼接点，中间段则同时有开头拼接点和末尾拼接点。所述轨迹输出任务需要跟预计算任务交互，每次拼接段运动结束时，轨迹输出任务立即通知预计算任务，由预计算任务完成后面两个命令段的计算，确定拼接点位置和拼接参数，然后轨迹输出任务继续输出后面轨迹。此处预计算必须在轨迹输出任务的下一周期来临之前，完成所有计算步骤。若一个周期不能完成，可提前几个周期开始计算。
若输入命令有错误或者下发时间超时，机器人正常运动到最后一个正确命令的位置并停止。
若中间出现输入命令错误或者下发时间超时，以第三个命令出错或未收到为例，控制流程如下：
(1)第一个命令压入队列，预计算任务接收第一个命令，保存参数，参数带拼接，命令返回；
(2)第二个命令压入队列，预计算任务接收第二个命令，保存参数，参数带拼接，计算第一段、第二段、拼接段所需拼接参数，发送给轨迹输出任务；
(3)预计算任务通知轨迹输出任务开始运动，命令返回；
(4)轨迹输出任务开始输出第一段轨迹；
(a)第三个命令出错时进行如下的第(5)～(9)步骤：
(5)第三个命令压入队列，属于非拼接命令，预计算任务不接收，报错，命令返回；
(6)出错后上层程序停止下发命令；
(7)轨迹输出任务走完第一段和拼接段，到达拼接段结束点，通知预计算任务开始计算下一段；
(8)预计算任务，因为没有收到新的拼接命令，所以不做任何计算，通知轨迹输出任务继续运动；
(9)轨迹输出任务继续输出第二段轨迹，运动结束；
(b)第三个命令未收到时进行如下的第(10)～(13)步骤：
(10)第三个命令一直未收到；
(11)轨迹输出任务走完第一段和拼接段，到达拼接段结束点，通知预计算任务开始计算下一段；
(12)预计算任务，因为没有收到新的拼接命令，所以不做任何计算，通知轨迹输出任务继续运动；
(13)轨迹输出任务继续输出第二段轨迹，运动结束。
基于所述错误处理流程，机器人均能正常运动到最后一个正确命令的位置并停止，因而本发明机器人多步连续运动的路径拼接方法安全可靠。
本发明机器人多步连续运动的路径拼接方法，与其它现有技术中的路径拼接方法相比，对运动条件要求低，拼接位置连续光滑，拼接步数无限制，并设有安全运行机制，输入命令错误或者下发时间超时均能够自动处理并安全停止。所述路径拼接方法适用于机器人关节空间和笛卡尔空间的多步连续运动。
Claims (7)
1.一种机器人多步连续运动的路径拼接方法，其特征是：包括如下步骤：
S1.创建命令队列；
S2.把第1、2个命令压入队列，预计算任务收到命令后执行如下计算以获取拼接参数：(1)计算第一段轨迹参数，(2)计算第二段轨迹参数，(3)计算拼接点信息，(4)计算拼接段轨迹参数；
S3.预计算任务将拼接参数发给轨迹输出任务，由轨迹输出任务输出机器人的运动轨迹；
S4.将第3个命令压入队列，预计算任务接收命令并等待；
S5.机器人运动至拼接段结束时，预计算任务按照步骤(1)-(4)立即计算第2个命令和第3个命令的拼接参数，并发送给轨迹输出任务，轨迹输出任务接着前面拼接段继续向前运动；
S6.将下一个命令依次压入队列，重复进行步骤S4和S5，实现多步连续运动；
所述轨迹输出任务的顺序如下：(1)输出第一段轨迹，(2)输出第一段和第二段的拼接段，(3)输出第二段轨迹，(4)输出第二段和第三段的拼接段，(5)输出第三段轨迹，…，(n-1)输出第n-1段和第n段的拼接段，(n)输出第n段轨迹，亦是最后一段，运动停止；且非拼接段采用T型、S型和Minimum Jerk型运动轨迹中的其中一种，所述拼接段采用高阶样条曲线，至少5阶以上，以保证拼接点的位移、速度和加速度连续；
若输入命令有错误或者下发时间超时，机器人正常运动到最后一个正确命令的位置并停止。
2.根据权利要求1所述的机器人多步连续运动的路径拼接方法，其特征是：所述预计算任务要求及时响应，定周期运行或非定周期运行，所述轨迹输出任务必须定周期运行。
3.根据权利要求1所述的机器人多步连续运动的路径拼接方法，其特征是：所述方法采用队列方式下发命令，运动步数无限制。
4.根据权利要求1所述的机器人多步连续运动的路径拼接方法，其特征是：开始运动时，必须下发两个运动命令，其后每次下发一个运动命令。
5.根据权利要求1所述的机器人多步连续运动的路径拼接方法，其特征是：用于计算拼接点位置的拼接条件是相对值和绝对值中的其中一种。
6.根据权利要求1所述的机器人多步连续运动的路径拼接方法，其特征是：每次在轨迹输出任务执行到拼接段结束时，立即开始预计算任务，并且必须在轨迹输出任务的下一周期来临之前，完成预计算中所有拼接参数的计算步骤(1)-(4)。
7.根据权利要求1所述的机器人多步连续运动的路径拼接方法，其特征是：每次拼接参数计算完毕后，若继续拼接则立即返回步骤S4，接收下一条命令；所述预计算任务收到新的运动命令后等待，准备执行步骤S5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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