CN109032081B - 基于s曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法及系统 - Google Patents

基于s曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法及系统，求解多轴机器人两个点位之间各个关节轴的角度差；在保证每个轴预设运动特性最大的情况下，使用S曲线加减速对各个关节轴进行速度规划，得到每个轴的运动时间并以运动时间最长的轴为基准，通过其余关节与此基准的时间比例求解其余关节的周期插补位移，实现同步控制。本发明提高机器人点位同步控制的精度，保证其速度、加速度连续，减少计算量。

Description

基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，特别是涉及基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法及系统。
背景技术
机器人点位(Point To Point)控制分为同步控制和异步控制，异步点位控制是机器人各关节轴因为运动角度的不同，达到目标关节角度的时间也就不同，同步控制是机器人所有的关节在运行角度不一的情况下，运行时间仍然达到一致，这样可以使得机器人在工作时末端执行器更加平稳，作业效率更高。
现有的方法中，中国专利文件，申请号201210507592.7，专利名称为“一种机器人中实现同步点到点PTP运动的方法及装置”，公开了一种以机器人运行时间最长的轴为基准轴，使用位移比例确定机器人其他轴的速度规划，这种方式不仅不能保证每个变化轴的始末速度和加速度不连续，造成冲击，而且计算复杂。
现有技术中还存在采用搜索的方式，选用运动时间最长的轴为基准轴，然后用搜索的方式找到一个S曲线规划匀速段的速度，使得整个S曲线规划的时间和最长时间小于一个误差值，这种方法不仅计算量很大，而且还会有一个小的误差值。
综上所述，针对现有技术如何高效、准确地实现机器人点位同步控制的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，本发明能够提高机器人点位同步控制的精度，保证其速度、加速度连续，减少计算量。
基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，包括：
求解多轴机器人两个点位之间各个关节轴的角度差即点位之间的位移；
在保证每个轴预设运动特性最大的情况下，使用S曲线加减速对各个关节轴进行速度规划，得到每个轴的运动时间并以运动时间最长的轴为基准，通过其余关节与此基准的时间比例求解其余关节的周期插补位移，实现同步控制。
进一步优选的技术方案，所述使用S曲线加减速对各个关节轴进行速度规划，具体为通过S曲线加减速求得多轴机器人运行时间最长的轴。
进一步优选的技术方案，以运动时间最长的轴为基准，通过其余关节与此基准的时间比例求解其余关节的周期插补位移，具体为：将多轴机器人除运行时间最长的轴之外的其余轴的运行时间分别与运行时间最长的轴对应的运行时间作商求得时间比例，以插补时间为自变量，时间比例为斜率作一次函数，根据该一次函数圆整除运行时间最长的轴之外的其余轴的插补周期，从而保证了多轴机器人各个关节运行时间严格一致。
进一步优选的技术方案，在通过S曲线加减速求得多轴机器人运行时间最长的轴之前还包括：获取机器人各个轴始末点位置、各个轴的运动参数；
根据各个轴始末点位置计算各个轴的运动位移及运动方向。
进一步优选的技术方案，所述通过S曲线加减速求得多轴机器人运行时间最长的轴时，S曲线规划每个轴的运动时间和每个时间节点的速度，选择运动时间最长的轴并计算其余轴的时间比例。
进一步优选的技术方案，改变各轴的插补周期并计算各关节周期插补量，之后插补输出。
进一步优选的技术方案，利用S曲线进行点位控制中机器人各轴始末速度均为0，整个过程分7段：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段，其中，加加速段、减加速段时间相等，加减速段及减减速段时间相等。
进一步优选的技术方案，点位同步控制中，通过计算得到的各轴位移、始末速度均为0、最大速度限制、最大加速度限制以及最大加加速度限制，求解各轴运动时间T'以及各轴S曲线时间节点处的速度v1～v7，选取最长的时间作为同步运动时间：Tmax，其余各轴的时间比例为：
其中，Ti为第i轴的运动时间。
进一步优选的技术方案，根据得到的各轴的时间比例ki，已知同步控制中所有轴的插补次数完全相同，令插补时间t'为自变量，经时间比例变插补之后各轴的插补时间为t＝ki·t'；
机器人各轴总的运行时间为Ti'，将各轴时间拉长至Tmax，运动时间区间拉长了，但其在运动过程中的速度降低为原来的ki倍，总的位移没有发生变化。
本申请还公开了基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制系统，包括：
数控系统或工业机器人，所述数控系统或工业机器人被配置为执行上述方法流程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提高机器人点位同步控制的精度，保证其速度、加速度连续，减少计算量。
本发明保证了各个关节运行时间严格一致，并且因为点位控制始末速度都为0，且S曲线的速度、加速度连续，所以变化后的各个轴在整个运行时间内速度和加速度连续，保证机器人的平稳运行。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请实施例子基于S曲线的机器人点位同步控制流程；
图2为本申请实施例子S曲线加减速示意图；
图3为本申请实施例子比例函数示意图
图4为本申请实施例子变插补原理示意图；
图5为本申请具体实施例子各轴位移曲线；
图6为本申请具体实施例子各轴角速度曲线；
图7为本申请具体实施例子各轴角加速度曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本申请的一种典型的实施方式中，一种实现多轴机器人两个点位之间(Point ToPoint)关节同步运动的方法，该方法包括：首先求解两个点位之间各个关节轴的角度差，此处所求的角度差就是要走的位移，在保证每个轴预设运动特性最大的情况下，使用S曲线加减速对各个关节轴进行速度规划(此处为常规S曲线加减速规划方法，属于现有技术，此处不再详细描述)，得到每个轴的运动时间并以时间最长的轴为基准，通过其余关节与此基准的时间比例求解其余关节的周期插补位移，实现同步控制。本发明在点位之间各轴运动时间严格一致的情况下，保证速度、加速度连续，计算简单。
如图1所示，用时间比例圆整其余轴的位移规划，通过S曲线加减速求得运行时间最长的轴，其余轴的运行时间与该时间作商求得时间比例，以插补时间为自变量，时间比例为斜率作一次函数，根据该一次函数圆整其余轴的插补周期，从而保证了各个关节运行时间严格一致，并且因为点位控制始末速度都为0，且S曲线的速度、加速度连续，所以圆整之后也就是所有轴的插补次数变为一致时的各个轴在整个运行时间内速度和加速度连续，保证机器人的平稳运行。
关于圆整，是指机器人各个轴到达目标点的运动时间不一致，可以使每个轴的插补次数一致，例如两个轴同时运动，第一个轴到达目标点的时间为9ms，第二个轴到达时间为3ms，插补周期为1ms，第一个轴的插补次数为9次，让第二个轴的插补次数也为9次，就需要让第二个轴每个插补周期走之前1/3ms的位移。
S曲线加减速算法分析，图2所示为点位控制中S曲线加减速过程中的速度、加速度以及加加速度曲线。点位控制中各轴始末速度均为0，整个过程分7段：加加速段①、匀加速段②、减加速段③、匀速段④、加减速段⑤、匀减速段⑥和减减速段⑦。因为S曲线为对称曲线，所以t1＝t3，t5＝t7。
而在实际的运动过程中，因为执行位移的长短，S曲线可能不同时包含匀速段、匀加速段、匀减速段。
点位同步控制中，通过计算得到的各轴位移(即角度差)、始末速度均为0、最大速度限制、最大加速度限制以及最大加加速度限制，上述数据为S曲线的必要条件，求解各轴运动时间T'以及各轴S曲线时间节点处的速度v1～v7(此处的速度由常规S曲线加减速规划得到的)，选取最长的时间作为同步运动时间：Tmax，其余各轴的时间比例为：
得到各轴的时间比例ki，已知同步控制中所有轴的插补次数完全相同，令插补时间t'为自变量(插补时间是由系统总线决定的，是不变的值)，经时间比例变插补之后各轴的插补时间为t＝ki·t'。本申请最终的目的是获得插补时间，使得每个轴的运动时间一致均为Tmax。
如图3所示，各轴总的时间为Ti'，将各轴时间拉长至Tmax，运动时间区间拉长了，但其在运动过程中的速度降低为原来的ki倍，总的位移没有发生变化，具体的变插补原理示意图如图4所示。
本申请的另一实施例子公开了基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制系统，可以在数控系统和工业机器人中使用，在下面实际举例时有参数说明，满足这个参数要求即可以实现。
首先证明算法可行性：已知机器人各轴位移与速度的关系为：
各轴原运行时间区间为[0,Ti']，经时间比例圆整后，各轴的运行时间区间为[0,Tmax]，各轴位移和速度的关系：
已知S曲线为7段分段函数，且位移、速度、加速度和加加速度与时间的函数关系均已知，通过积分公式可得：
Si为机器人各轴原始位移函数，si为机器人经时间比例圆整之后的位移函数，两者只在插补时间t上有比例关系，位移并没有发生变化；同样的，速度vi和加速度ai也没有发生变化，在整个运动的时间区间[0,Tmax]内，速度和加速度是连续的。
接下来看端点的连续性，当t＝0和t＝Tmax时，速度均为0，代入4式得
v0＝s'(0)＝v(0)·k＝0 (6)
a0＝s”(0)＝a(0)·k2＝0 (7)
vTmax＝s'(Tmax)＝v(Tmax)·k＝0 (8)
aTmax＝s”(Tmax)＝a(Tmax)·k2＝0 (9)
经时间圆整之后的始末速度和加速度均为0，点位控制在两端点的速度和加速度也连续，满足工作条件。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
下面通过举例说明本发明的可行性，以6轴串联机器人为例，假设其起点位置均设为0°，终点位置对应角度分别为：50°、80°、90°、120°、135°、160°，各轴的最大速度分别为30°/s，最大加速度为200°/s2，最大加加速度为1000°/s3,插补周期为0.001s，通过S曲线规划出时间最长的轴为6轴，运行时间为5.6s,各轴的运行角度、角速度以及角加速度如图5～图7所示。从图中可以看出，机器人的6个轴可以实现两点位的严格同步控制，6轴的运行时间最长，达到最大速度的时间最短，其余轴的速度均按时间比例减小，在整个运动过程中速度和加速度连续，且计算简单，完整地证明了本发明的可行性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，其特征是，包括：
求解多轴机器人两个点位之间各个关节轴的角度差即点位之间的位移；
在保证每个轴预设运动特性最大的情况下，使用S曲线加减速对各个关节轴进行速度规划，得到每个轴的运动时间并以运动时间最长的轴为基准，通过其余关节与此基准的时间比例求解其余关节的周期插补位移，实现同步控制；
点位同步控制中，通过计算得到的各轴位移、始末速度均为0、最大速度限制、最大加速度限制以及最大加加速度限制，求解各轴运动时间T'以及各轴S曲线时间节点处的速度v1～v7，选取最长的时间作为同步运动时间：Tmax，其余各轴的时间比例为：
其中，Ti为第i轴的运动时间；
根据得到的各轴的时间比例ki，已知同步控制中所有轴的插补次数完全相同，令插补时间t'为自变量，经时间比例变插补之后各轴的插补时间为t＝ki·t'；
机器人各轴总的运行时间为T′i，将各轴时间拉长至Tmax，其在运动过程中的速度降低为原来的ki倍，总的位移没有发生变化。
2.如权利要求1所述的基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，其特征是，所述使用S曲线加减速对各个关节轴进行速度规划，具体为通过S曲线加减速求得多轴机器人运行时间最长的轴。
3.如权利要求1所述的基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，其特征是，以运动时间最长的轴为基准，通过其余关节与此基准的时间比例求解其余关节的周期插补位移，具体为：将多轴机器人除运行时间最长的轴之外的其余轴的运行时间分别与运行时间最长的轴对应的运行时间作商求得时间比例，以插补时间为自变量，时间比例为斜率作一次函数，根据该一次函数圆整除运行时间最长的轴之外的其余轴的插补周期，从而保证了多轴机器人各个关节运行时间严格一致。
4.如权利要求1所述的基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，其特征是，在通过S曲线加减速求得多轴机器人运行时间最长的轴之前还包括：获取机器人各个轴始末点位置、各个轴的运动参数；
根据各个轴始末点位置计算各个轴的运动位移及运动方向。
5.如权利要求1所述的基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，其特征是，所述通过S曲线加减速求得多轴机器人运行时间最长的轴时，S曲线规划每个轴的运动时间和每个时间节点的速度，选择运动时间最长的轴并计算其余轴的时间比例。
6.如权利要求1所述的基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，其特征是，改变各轴的插补周期并计算各关节周期插补量，之后插补输出。
7.如权利要求1所述的基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法，其特征是，利用S曲线进行点位控制中机器人各轴始末速度均为0，整个过程分7段：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段，其中，加加速段、减加速段时间相等，加减速段及减减速段时间相等。
8.基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制系统，其特征是，包括：数控系统或工业机器人，所述数控系统或工业机器人被配置为执行权利要求1-7任一所述的基于S曲线加减速的多轴机器人点位同步控制方法。
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