CN109048901B - 基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法及装置 - Google Patents

基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人控制技术领域，具体提供了一种基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法及装置，旨在解决如何提高工业机器人示教轨迹准确性的技术问题。为此目的，本发明提供的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法主要包括下列步骤：首先，对机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度。然后，根据运动加速度获取相应的运动速度和运动位置。最后，利用逆运动学算法并且根据运动速度和运动位置生成机器人的期望轨迹。基于上述步骤，通过机器人牵引力和虚拟摩擦力共同作用产生运动加速度并且在一定的运动学约束和人机协作安全操作范围内规划示教轨迹，保证了牵引示教的准确性和安全性。

Description

基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法及装置
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法及装置。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，其能够按照固定的轨迹往复运动来完成相应的作业任务，而利用牵引示教方法(即控制工业机器人的操作臂跟随牵引力的方向运动)能够快速切换工业机器人的作业任务。
牵引示教方法主要包括牵引力检测和操作臂控制两个步骤。牵引力检测的步骤主要包括：利用六维力传感器直接测量牵引力，或者获取工业机器人上预设的关节扭矩传感器的测量值后再利用雅克比矩阵对该测量值进行数据转换得到牵引力。操作臂控制的步骤主要包括：利用质量模型或变刚度模型等控制操作臂跟随牵引力运动。具体地，将牵引力直接施加在操作臂上，或通过阻抗控制驱动操作臂运动并且设定期望速度为0以及利用PID控制器等来耗散阻力。上述牵引示教方法虽然能够生成示教轨迹但是无法模拟牵引过程中的操作触感，不利于用户控制牵引力的大小从而降低了示教轨迹的准确性。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何提高工业机器人示教轨迹准确性的技术问题。为此目的，本发明提供了一种基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法及装置。
在第一方面，本发明提供的一种基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法主要包括下列步骤：
对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度；
根据所计算的运动加速度获取相应的运动速度和运动位置；
利用逆运动学算法并且根据所获取的运动速度和运动位置生成所述机器人的期望轨迹。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案是：
所述虚拟摩擦力包括虚拟静摩擦力；“对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度”的步骤包括：
判断所述机器人牵引力是否大于预设的虚拟静摩擦力的最大值：若是，则根据所述机器人牵引力计算所述运动加速度；若否，则根据预设的减速滑动摩擦力计算所述运动加速度。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案是：
所述虚拟摩擦力还包括虚拟滑动摩擦力；“对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度”的步骤进一步包括：
判断所述机器人牵引力是否大于所述虚拟滑动摩擦力：若是，则继续判断所述机器人的运动速度是否等于0，
若所述机器人的运动速度等于0，则根据预设的减速滑动摩擦力计算所述运动加速度；
若所述机器人的运动速度不等于0，则根据所述机器人牵引力计算所述运动加速度。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案是：
“根据所述机器人牵引力计算所述运动加速度”的步骤包括：
对所述机器人牵引力进行滤波处理；
根据滤波后的机器人牵引力并且按照下式所示的方法计算所述运动加速度：
Figure GDA0002524798290000021
其中，所述(ax)i是在笛卡尔空间坐标系下第i个机器人运动方向对应的运动加速度并且(ax)i∈[(ax)min,(ax)max]，所述(ax)min和(ax)max分别是预设的最小运动加速度和最大运动加速度；所述(Fext)i是第i个机器人运动方向的机器人牵引力，所述(Fc)i是第i个机器人运动方向的滑动摩擦力，所述(Fcstop)i是第i个机器人运动方向的减速滑动摩擦力，所述(vx)i是第i个机器人运动方向的运动速度；所述
Figure GDA0002524798290000031
且Mxii是预设的虚拟质量矩阵Mx中第i行第i列的质量元素，所述虚拟质量矩阵Mx∈Rd×d，所述Rd×d表示d×d维的实数对角矩阵，所述d取决于预设的机器人运动方向的总数。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案是：
所述方法还包括：
按照下式所示的方法计算所述虚拟质量矩阵Mx中的质量元素Mxii：
Figure GDA0002524798290000032
其中，所述(Fextacc)i是所述最大运动加速度(ax)max对应的第i个机器人运动方向的牵引力外力且(Fextacc)i＞(Fc)i，所述(vxmax)i是预设的第i个机器人运动方向的最大运动速度，所述T是机器人的运动速度由0至(vxmax)i的最短时间。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案是：
“根据所计算的运动加速度获取相应的运动速度和运动位置”的步骤包括：
对所述运动加速度进行积分运算并且根据运算结果得到在笛卡尔空间坐标系下的运动速度vx和运动位置qx；
其中，vx∈[(vx)min,(vx)max]，所述(vx)min和(vx)max分别是预设的最小运动速度和最大运动速度；qx∈[(qx)min，(qx)max]，所述(qx)min和(qx)max分别是预设的最小运动位置和最大运动位置。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案是：
在“对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度”的步骤之前，所述方法还包括：
判断所述机器人牵引力是否大于等于预设的牵引力上限：若是，则控制所述机器人立即停止运动。
进一步地，本发明提供的一个优选技术方案是：
所述方法还包括：
按照下式所示的方法计算所述虚拟静摩擦力的最大值：
Fsmax＝ωmax×r1
其中，所述Fsmax是所述虚拟静摩擦力的最大值，所述ωmax是预设的最大扰动量，所述r1是预设的第一摩擦力系数且r1＞1；
按照下式所示的方法计算所述虚拟滑动摩擦力：
Fc＝ωmax×r2
其中，所述Fc是所述虚拟滑动摩擦力，所述r2是预设的第二摩擦力系数且r2＜1；
按照下式所示的方法计算所述减速滑动摩擦力：
Fcstop＝ωmax×r3
其中，所述Fcstop是所述减速滑动摩擦力，所述r3是预设的第三摩擦力系数且r3＞1。
在第二方面，本发明提供的存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载以执行上述技术方案中任一项所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法。
在第三方面，本发明提供的控制装置，包括处理器和存储设备，所述存储设备适于存储多条程序，所述程序适于由所述处理器加载以执行上述技术方案中任一项所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法。
与最接近的现有技术相比，上述技术方案至少具有如下有益效果：
1、本发明提供的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法主要包括下列步骤：首先，对机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度。然后，根据运动加速度获取相应的运动速度和运动位置。最后，利用逆运动学算法并且根据运动速度和运动位置生成机器人的期望轨迹。基于上述步骤，通过机器人牵引力和虚拟摩擦力共同作用产生运动加速度并且在一定的运动学约束和人机协作安全操作范围内规划示教轨迹，使得用户在驱动机器人操作臂时既可以得到滑块牵引的体验感还可以引导用户准确驱动机器人操作臂动作，从而保证了牵引示教的准确性和安全性。
2、本发明提供的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法在利用机器人牵引力计算运动加速度之前对机器人牵引力进行滤波处理，消除了操作臂抖动和反复加减速带来的扰动。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法的主要步骤示意图；
图2是本发明实施例中ωx方向的牵引力力矩与速度的变化曲线示意图；
图3是本发明实施例中ωy方向的牵引力力矩与速度的变化曲线示意图；
图4是本发明实施例中ωz方向的牵引力力矩与速度的变化曲线示意图；
图5是本发明实施例中X方向的牵引力与速度的变化曲线示意图；
图6是本发明实施例中Y方向的牵引力与速度的变化曲线示意图；
图7是本发明实施例中Z方向的牵引力与速度的变化曲线示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
下面结合附图，对本发明提供的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法进行说明。
参阅附图1，图1示例性示出了本实施例中基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法的主要步骤。如图1所示，本实施例中可以按照下述步骤生成工业机器人的示教轨迹：
步骤S101：设定虚拟摩擦力和虚拟质量。
本实施例中虚拟摩擦力可以包括虚拟静止摩擦力和虚拟滑动摩擦力。具体地，本实施例中可以按照下式(1)所示的方法计算虚拟静止摩擦力的最大值Fsmax：
Fsmax＝ωmax×r1 (1)
公式(1)中各参数含义是：ωmax是预设的最大扰动量，r1是预设的第一摩擦力系数且r1＞1。
本实施例中还可以按照下式(2)所示的方法计算虚拟滑动摩擦力Fc：
Fc＝ωmax×r2 (2)
公式(2)中参数r2是预设的第二摩擦力系数且r2＜1。
本实施例中还可以按照下式(3)所示的方法计算减速滑动摩擦力Fcstop：
Fcstop＝ωmax×r3 (3)
公式(3)中参数r3是预设的第三摩擦力系数且r3＞1。
进一步地，本实施例中可以按照下式(4)所示的方法计算虚拟质量：
Figure GDA0002524798290000061
公式(4)中各参数含义是：
Mxii是预设的虚拟质量矩阵Mx中第i行第i列的质量元素，(Fextacc)i是最大运动加速度(ax)max对应的第i个机器人运动方向的牵引力外力且(Fextacc)i＞(Fc)i，(vxmax)i是预设的第i个机器人运动方向的最大运动速度(如0.2m/s)，T是机器人的运动速度由0至(vxmax)i的最短时间。虚拟质量矩阵Mx∈Rd×d，Rd×d表示d×d维的实数对角矩阵，d取决于预设的机器人运动方向的总数。优选的，本实施例中的机器人是六自由度机器人，此时机器人运动方向的总数是6，即i＝1，...，6，d＝6。
步骤S102：检测机器人牵引力。
本实施例中可以采用常规的机器人牵引力检测方法，例如利用六维力传感器直接测量牵引力，或者获取工业机器人上预设的关节扭矩传感器的测量值后再利用雅克比矩阵对该测量值进行数据转换得到牵引力。
步骤S103：判断机器人牵引力是否大于等于预设的牵引力上限。具体地，若机器人牵引力大于等于牵引力上限，则转至步骤S104。若机器人牵引力小于牵引力上限，则转至步骤S110(即立即控制机器人停止运动)。
步骤S104：判断机器人牵引力是否大于预设的虚拟静止摩擦力的最大值。具体地，若机器人牵引力大于虚拟静止摩擦力，则转至步骤S105。若机器人牵引力小于等于虚拟静止摩擦力，则转至步骤S109(即减速停止)。可选地，本实施例中控制机器人“减速停止”时可以根据预设的减速滑动摩擦力来计算运动加速度从而根据该运动加速度控制机器人停止。
在本实施例的一个优选实施方案中还可以对机器人牵引力分别与虚拟滑动摩擦力和减速滑动摩擦力进行比较，进而根据比较结果来执行下一个步骤。具体地，本实施方案中“对机器人牵引力分别与虚拟滑动摩擦力和减速滑动摩擦力进行比较，进而根据比较结果来执行下一个步骤”的步骤包括：
判断机器人牵引力是否大于虚拟滑动摩擦力，当机器人牵引力大于虚拟滑动摩擦力时继续判断机器人的运动速度是否等于0：若机器人的运动速度等于0，则转至步骤S109(即减速停止)；若机器人的运动速度不等于0，则转至步骤S105。
步骤S105：对机器人牵引力进行滤波处理。
具体地，本实施例中可以对机器人牵引力进行低通滤波。可选的，滤波频率是5Hz。
步骤S106：计算机器人的运动加速度。
具体地，本实施例中可以根据滤波后的机器人牵引力并且按照下式(5)所示的方法计算运动加速度：
Figure GDA0002524798290000081
公式(5)中各参数含义是：
(ax)i是在笛卡尔空间坐标系下第i个机器人运动方向对应的运动加速度并且(ax)i∈[(ax)min,(ax)max]，(ax)min和(ax)max分别是预设的最小运动加速度和最大运动加速度；(Fext)i是第i个机器人运动方向的机器人牵引力，(Fc)i是第i个机器人运动方向的滑动摩擦力，(Fcstop)i是第i个机器人运动方向的减速滑动摩擦力，(vx)i是第i个机器人运动方向的运动速度；
Figure GDA0002524798290000082
且Mxii是预设的虚拟质量矩阵Mx中第i行第i列的质量元素，虚拟质量矩阵Mx∈Rd×d，Rd×d表示d×d维的实数对角矩阵，d取决于预设的机器人运动方向的总数。
步骤S107：获取运动速度和运动位置。
具体地，本实施例中可以对运动加速度进行积分运算并且根据运算结果得到在笛卡尔空间坐标系下的运动速度vx和运动位置qx。其中，vx∈[(vx)min,(vx)max]，(vx)min和(vx)max分别是预设的最小运动速度和最大运动速度；qx∈[(qx)min,(qx)max]，(qx)min和(qx)max分别是预设的最小运动位置和最大运动位置。
步骤S108：生成机器人的期望轨迹。
具体地，本实施例中可以利用逆运动学算法并且根据所获取的运动速度和运动位置生成机器人的期望轨迹，以便机器人能够根据该期望轨迹运动。同时，在生成期望轨迹后转至步骤S102，重新检测机器人牵引力(即重复执行步骤S102～步骤S108)，从而根据机器人牵引力实时生成相应的期望轨迹。其中，逆运动学算法指的是机器人控制技术领域中常规的逆运动学控制方法。
参阅附图2-7，图2-4分别示例性示出了上述六自由度机器人ωx方向、ωy方向和ωz方向的牵引力理解与速度的变化曲线。图5-7分别示例性示出了针对六自由度机器人，利用图1所示的示教轨迹规划方法所获取到的X方向、Y方向和Z方向的牵引力与速度的变化曲线，如图2-4所示，虚线表示牵引力力矩，单位是Nm。实线表示速度，单位是0.001rad/s。如图5-7所示，虚线表示牵引力，单位是N。实线表示速度，单位是mm/s。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
基于上述方法实施例，本发明还提供了一种存储装置，该存储装置中存储有多条程序，这些程序可以适于由处理器加载以执行上述方法实施例所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法。
进一步地，基于上述方法实施例，本发明还提供了一种控制装置，该控制装置可以包括处理器和存储设备。具体地，存储设备可以适于存储多条程序，这些程序可以适于由处理器加载以执行上述方法实施例所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的PC来实现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于包括：
对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度；
根据所计算的运动加速度获取相应的运动速度和运动位置；
利用逆运动学算法并且根据所获取的运动速度和运动位置生成所述机器人的期望轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于，所述虚拟摩擦力包括虚拟静摩擦力；“对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度”的步骤包括：
判断所述机器人牵引力是否大于预设的虚拟静摩擦力的最大值：若是，则根据所述机器人牵引力计算所述运动加速度；若否，则根据预设的减速滑动摩擦力计算所述运动加速度。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于，所述虚拟摩擦力还包括虚拟滑动摩擦力；“对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度”的步骤进一步包括：
判断所述机器人牵引力是否大于所述虚拟滑动摩擦力：若是，则继续判断所述机器人的运动速度是否等于0，
若所述机器人的运动速度等于0，则根据预设的减速滑动摩擦力计算所述运动加速度；
若所述机器人的运动速度不等于0，则根据所述机器人牵引力计算所述运动加速度。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于，“根据所述机器人牵引力计算所述运动加速度”的步骤包括：
对所述机器人牵引力进行滤波处理；
根据滤波后的机器人牵引力并且按照下式所示的方法计算所述运动加速度：
Figure FDA0002524798280000021
其中，所述(ax)i是在笛卡尔空间坐标系下第i个机器人运动方向对应的运动加速度并且(ax)i∈[(ax)min,(ax)max]，所述(ax)min和(ax)max分别是预设的最小运动加速度和最大运动加速度；所述(Fext)i是第i个机器人运动方向的机器人牵引力，所述(Fc)i是第i个机器人运动方向的滑动摩擦力，所述(Fcstop)i是第i个机器人运动方向的减速滑动摩擦力，所述(vx)i是第i个机器人运动方向的运动速度；所述
Figure FDA0002524798280000022
且Mxii是预设的虚拟质量矩阵Mx中第i行第i列的质量元素，所述虚拟质量矩阵Mx∈Rd×d，所述Rd×d表示d×d维的实数对角矩阵，所述d取决于预设的机器人运动方向的总数。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于，所述方法还包括：
按照下式所示的方法计算所述虚拟质量矩阵Mx中的质量元素Mxii：
Figure FDA0002524798280000023
其中，所述(Fextacc)i是所述最大运动加速度(ax)max对应的第i个机器人运动方向的牵引力外力且(Fextacc)i＞(Fc)i，所述(vxmax)i是预设的第i个机器人运动方向的最大运动速度，所述T是机器人的运动速度由0至(vxmax)i的最短时间。
6.根据权利要求4所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于，“根据所计算的运动加速度获取相应的运动速度和运动位置”的步骤包括：
对所述运动加速度进行积分运算并且根据运算结果得到在笛卡尔空间坐标系下的运动速度vx和运动位置qx；
其中，vx∈[(vx)min,(vx)max]，所述(vx)min和(vx)max分别是预设的最小运动速度和最大运动速度；qx∈[(qx)min,(qx)max]，所述(qx)min和(qx)max分别是预设的最小运动位置和最大运动位置。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于，在“对预先检测到的机器人牵引力和预设的虚拟摩擦力进行比较并且根据比较结果计算机器人的运动加速度”的步骤之前，所述方法还包括：
判断所述机器人牵引力是否大于等于预设的牵引力上限：若是，则控制所述机器人立即停止运动。
8.根据权利要求2或3所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法，其特征在于，所述方法还包括：
按照下式所示的方法计算所述虚拟静摩擦力的最大值：
Fsmax＝ωmax×r1
其中，所述Fsmax是所述虚拟静摩擦力的最大值，所述ωmax是预设的最大扰动量，所述r1是预设的第一摩擦力系数且r1＞1；
按照下式所示的方法计算所述虚拟滑动摩擦力：
Fc＝ωmax×r2
其中，所述Fc是所述虚拟滑动摩擦力，所述r2是预设的第二摩擦力系数且r2＜1；
按照下式所示的方法计算所述减速滑动摩擦力：
Fcstop＝ωmax×r3
其中，所述Fcstop是所述减速滑动摩擦力，所述r3是预设的第三摩擦力系数且r3＞1。
9.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载以执行权利要求1-8中任一项所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法。
10.一种控制装置，包括处理器和存储设备，所述存储设备适于存储多条程序，其特征在于，所述程序适于由所述处理器加载以执行权利要求1-8中任一项所述的基于虚拟摩擦力的牵引示教轨迹规划方法。
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