CN109129470B - 机器人直线路径的规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机器人直线路径的规划方法及系统，其中，方法步骤包括：获取机器人传输的起点和终点后，根据起点和终点计算机机械臂的末端的直线位移；结合直线位移和长度区间选择机器人的运动模型后，根据运动模型的时间参数将直线位移划分为多段线段，并在每段线段上获取多个离散坐标点后，计算离散坐标点的坐标值；依次结合坐标值、时间参数和预设的逆运动学公式计算机器人的旋转轴的旋转参数，并根据旋转参数规划机器人的直线路径。本发明根据时间参数将直线位移划分为多段线段，再结合时间参数和多段线段上的坐标点计算旋转轴的旋转参数，从而使机器人的直线路径更加平滑，确保物料在传输的过程中不被损坏，可广泛应用于机器人应用领域。

Description

机器人直线路径的规划方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人应用领域，尤其涉及一种机器人直线路径的规划方法及系统。

背景技术

在多数产品生产加工的过程中，物料需要经过频繁且高效的传输。针对不同环境、不同作业条件下的运动，高速传输机器人都需要能够完成直线运动功能，而如何通过简单的方式实现高速传输机器人的直线运动，以及轨迹生成是整个控制系统中的重要部分。在控制物料传输时，使得传输速度曲线平滑过渡，避免出现机械臂的剧烈抖动，确保物料在传输过程中的安全。而现在高速传输机器人在路径规划时，过于强调传输的速度，传输速度曲线不够平滑，难以保证物料不被损坏。在三高速物料传输机器人的控制上，为了满足需求，一般采用较为昂贵的控制系统，使得传输机器人的总体造价较高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够进行平滑直线运动的路径的规划方法。

本发明的另一目的是提供一种能够进行平滑直线运动的路径的规划系统。

本发明所采用的技术方案是：

机器人直线路径的规划方法，包括以下步骤：

S1、获取机器人传输的起点和终点后，根据起点和终点计算机器人的机械臂的末端的直线位移；

S2、结合直线位移和预设的长度区间选择机器人的运动模型后，根据运动模型的时间参数将直线位移划分为多段线段，并在每段线段上获取多个离散坐标点后，计算离散坐标点的坐标值；

S3、依次结合坐标值、时间参数和预设的逆运动学公式计算机器人的旋转轴的旋转参数，并根据旋转参数规划机器人的直线路径。

进一步，所述步骤S1，具体包括以下步骤：

S11、获取机器人传输的起点和终点后，将机器人的机械臂的末端移动至起点位置，并记录第一坐标值；

S12、将机械臂的末端移动至终点位置后，记录下第二坐标值，并根据第一坐标值和第二坐标值计算机械臂的末端直线位移。

进一步，所述机器人为三轴高速传输机器人，所述三轴高速传输机器人的机械臂包括三连接杆和用于依次连接三连接杆的两旋转轴，在步骤S1前还包括步骤S0，具体为：

S0、将机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化机械臂的末端的坐标值。

进一步，所述运动模型包括第一运动模型、第二运动模型和第三运动模型，所述运动模型采用S型曲线运动模型，所述预设的长度区间包括第一长度区间、第二长度区间和第三长度区间；

若直线位移的长度小于或等于第一预设长度，则直线位移属于第一长度区间，并选择第一运动模型；

若直线位移的长度大于第一预设长度且小于或等于第二预设长度，则直线位移属于第二长度区间，并选择第二运动模型；

若直线位移的长度大于第二预设长度，则直线位移属于第二长度区间，并选择第三运动模型。

进一步，所述步骤S2，具体包括以下步骤：

S21、结合直线位移和预设的长度区间判断直线位移所属的长度区间后，选择相应的运动模型；

S22、根据直线位移获取运动模型的多个时间参数后，根据时间参数将直线位移划分为多段线段，并计算每段线段的长度；

S23、依次根据长度在每段线段上获取多个离散坐标点，并计算离散坐标点的坐标值。

进一步，所述旋转参数包括旋转角度和旋转速度，采用旋转脉冲数控制旋转轴的旋转角度；

所述步骤S11中还包括记录初始位置对应的各个轴的脉冲数的步骤，具体为：在机器人的机械臂的末端移动至起点位置后，记录初始点脉冲数；

所述步骤S12中还包括记录终点位置对应的各个轴的脉冲数的步骤，具体为：在机器人的机械臂的末端移动至起点位置后，记录最终点脉冲数；

所述步骤S0中还包括零点脉冲数的步骤，具体为：在机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化该状态下的脉冲数。

进一步，所述步骤S3，包括以下步骤：

S31、依次结合坐标值和预设的逆运动学公式获取机器人的旋转轴的旋转角度，并根据旋转角度和预设的离散时间计算旋转脉冲数；

S32、结合旋转角度和时间参数计算旋转轴的旋转速度；

S33、根据脉冲数和旋转速度控制机器人进行直线移动，实现机器人的直线路径规划。

本发明所采用的另一技术方案是：

机器人直线路径的规划系统，包括计算位移模块、选择模型模块和计算参数模块；

所述计算位移模块用于获取机器人传输的起点和终点后，根据起点和终点计算机器人的机械臂的末端的直线位移；

所述选择模型模块用于结合直线位移和预设的长度区间选择机器人的运动模型后，根据运动模型的时间参数将直线位移划分为多段线段，并在每段线段上获取多个离散坐标点后，计算离散坐标点的坐标值；

所述计算参数模块用于依次结合坐标值、时间参数和预设的逆运动学公式计算机器人的旋转轴的旋转参数，并根据旋转参数规划机器人的直线路径。

进一步，所述计算位移模块包括第一模块和第二模块；

所述第一模块用于获取机器人传输的起点和终点后，将机器人的机械臂的末端移动至起点位置，并记录第一坐标值；

所述第二模块用于将机械臂的末端移动至终点位置后，记录下第二坐标值，并根据第一坐标值和第二坐标值计算机械臂的末端直线位移。

进一步，所述机器人为三轴高速传输机器人，所述三轴高速传输机器人的机械臂包括三连接杆和用于依次连接三连接杆的两旋转轴，还包括初始设置模块；

所述初始设置模块用于将机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化机械臂的末端的坐标值。

本发明的有益效果是：本发明根据机械臂的末端的直线位移选择不同的运动模型后，根据时间参数将直线位移划分为多段线段，再结合时间参数和多段线段上的坐标点计算旋转轴的旋转参数，从而使机器人的直线路径更加平滑过渡，避免剧烈抖动，确保物料在传输的过程中不被损坏。

附图说明

图1是本发明机器人直线路径的规划方法的步骤流程图；

图2是三轴高速传输机器人的结构示意图；

图3是S型曲线运动模型的原理解释图；

图4是第三移动运动模型的加速度变化原理图；

图5是第三移动运动模型在第二预设长度临界情况的原理图；

图6是第二移动运动模型的加速度变化原理图；

图7是第一移动运动模型的加速度变化原理图；

图8是本发明机器人直线路径的规划系统的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，机器人直线路径的规划方法，包括以下步骤：

A1、将机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化机械臂的末端的坐标值和脉冲数。

A2、获取机器人传输的起点和终点后，根据起点和终点计算机器人的机械臂的末端的直线位移。

其中，步骤A2包括步骤A21～A22：

A21、获取机器人传输的起点和终点后，将机器人的机械臂的末端移动至起点位置，并记录第一坐标值和初始点脉冲数。

A22、将机械臂的末端移动至终点位置后，记录下第二坐标值和最终点脉冲数，并根据第一坐标值和第二坐标值计算机械臂的末端直线位移。

A3、结合直线位移和预设的长度区间选择机器人的运动模型后，根据运动模型的时间参数将直线位移划分为多段线段，并在每段线段上获取多个离散坐标点后，计算离散坐标点的坐标值。

其中，步骤A3包括步骤A221～A33：

A31、结合直线位移和预设的长度区间判断直线位移所属的长度区间后，选择相应的运动模型。

A32、根据直线位移获取运动模型的多个时间参数后，根据时间参数将直线位移划分为多段线段，并计算每段线段的长度。

A33、依次根据长度在每段线段上获取多个离散坐标点，并计算离散坐标点的坐标值。

A4、依次结合坐标值、时间参数和预设的逆运动学公式计算机器人的旋转轴的旋转参数，并根据旋转参数规划机器人的直线路径。

其中，A4包括步骤A41～A43：

A41、依次结合坐标值和预设的逆运动学公式获取机器人的旋转轴的旋转角度，并根据旋转角度和预设的离散时间计算旋转脉冲数。

A42、结合旋转角度和时间参数计算旋转轴的旋转速度。

A43、根据脉冲数和旋转速度控制机器人进行直线移动，实现机器人的直线路径规划。

现结合图2至图6对上述方法进行详细解释。

所述机器人为三轴高速传输机器人，机器人的机械臂包括三连接杆和用于依次连接三连接杆的两旋转轴，参照图2，所述三连接杆包括第一连接杆1、第二连接杆2和第三连接杆3，所述两旋转轴包括第一旋转轴4和第二旋转轴5，所述第一连接杆1的一端与机器人的本体连接，所述第一连接杆1可沿着机器人的本体上下移动，第一连接杆1的另一端通过第一旋转轴4与第二连接杆2的一端连接，所述第二连接杆2的另一端通过第二旋转轴5与第三连接杆3的一端连接，所述第三连接杆3的另一端为机械臂的末端，用于传输物料。所述第一连接杆1和第二连接杆2的长度均为L₁，所述第三连接杆3的长度为L₂。在本实施例中，L₁＝210mm，L₂＝80mm。

进行路径规划前，先进行初始化处理，将机器人的机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化机械臂的末端的坐标值，和初始该状态下的脉冲数，所述脉冲数为旋转编码器的脉冲数。机械臂的末端的坐标值初始值为(2L₁+L₂，0)，脉冲数初始为(0，0)。

设置完初始值后，进行路径规划。获取机器人传输的起点和终点，机器人的起点和终点位置可以通过设定获取，也可以通过下面方式获得：将机器人的机械臂的末端移动至起点位置，并记录第一坐标值和初始点脉冲数；将机械臂的末端移动至终点位置后，记录下第二坐标值和最终点脉冲数，根据第一坐标值和第二坐标值计算出机械臂的末端直线位移。

根据直线位移和预设的长度区间判断直线位移所属的长度区间，所述长度区间包括第一长度区间、第二长度区间和第三长度区间，所述第一长度区间的范围为(0，L3]，所述L3为第一预设长度，所述第二长度区间为(L3，L4]，所述L4为第二预设长度，所述第三长度区间为(L4，L5]，所述L5为机械臂的末端所能移动最长的长度。当直线位移属于第一长度区间，并选择第一运动模型；当直线位移属于第二长度区间，并选择第二运动模型；当直线位移属于第二长度区间，并选择第三运动模型。

为了使机械臂的传输路线规划的平滑，没有剧烈抖动，要求传输过程中的加速度不能太大，由于F＝ma，当加速度a过大时，必然产生大的F，所以就会产生剧烈抖动。故加速度需要逐渐增加，且设定最大的加速度a_max；同时，为了传输得更加平稳，设定了最大速度v_max。计算机械臂的运动加速度从0升至a_max所需的时间，以及计算加速度达到最大值后，到速度值为0所移动的最短的长度，并设定该长度为第一预设长度。计算机械臂的运动速度从0升至v_max所需的时间，以及计算速度从0到v_max后，再回到速度值为0所移动的最短的长度，并设定该长度为第二预设长度。

参照图3，本实施例中，所述运动模型采用S型曲线运动模型，图3的上部分为加速度的变化情况，图3的中间部分为速度的变化情况，图3的下部分为位移的变化情况。将运动模型分为七个时间段，分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7，每个时间段的加速度、速度和位移的变化如图3所示，T1为加速度上升时间段；T2为加速度达到最大的时间段；T3为加速度下降时间段；T4时间段加速度为0，且该时间段速度达到最大值；T5-T7为加速度为负值，做减速运动，直到速度为0，达到直线位移的终点。该S型曲线运动模型可使直线运动平滑流畅。上述每个时间段内对应的位移长度的计算方法如下：

其中，公式(1)-公式(7)分别为对应时间段T1-T7的位移长度的计算公式。S表示机械臂的末端直线运动的位移；t表示运动时间；

为三元一次方程的系数。

参照图4，当直线位移的长度L大于第二预设长度L4时，选择第三移动运动模型，在该模型中，机械臂的加速度达到最大值a_max，速度达到最大值v_max。在该模式下，加速度的变化情况如图4的下部分所示，图4的上部分为直线位移的长度刚好等于第二预设长度L4临界情况下，加速度的变化情况，从图4中，可看出直线位移的长度L大于第二预设长度L4。在该模式下，加速度的变化情况如下面公式(8)所示：

其中，a_x表示机械臂末端直线位移的加速度；k表示加速度直线的斜率；a_max为最大加速度；t₁，t₂，...，t₇分别表示加速度各分段点对应的时间，t为直线运动的时间。

参照图5，图5的上部分为直线位移的长度刚好为第二预设长度L4时，加速度的变化情况，图5的下部分为对应的速度的变化情况。其中a_max为最大加速度，v_max为最大速度，t₀为达到最大速度的最短运动时间。在该模式下，由于k为固定值，所以根据直线位移的长度L计算出t₁，t₂，...，t₇等时间参数。

参照图6，当直线位移的长度L大于第一预设长度L3时，且小于第二预设长度L4时，加速度达到了最大值a_max，但速度未达到最大值v_max，此时加速度的变化情况如图6中所示，加速度的变化情况如下面公式(9)所示：

其中，a_x表示末端直线位置的加速度；k表示加速度直线的斜率；a_max为最大加速度；t₁，t₂，...，t₆分别表示加速度各分段点对应的时间，t为直线运动的时间。在该模式下，由于k为固定值，所以根据直线位移的长度L计算出t₁，t₂，...，t₆等时间参数。

参照图7，当直线位移的长度L小于第二预设长度L3时，此时加速度和速度都未达到最大值。此时加速度的变化情况如下面公式(10)所示：

其中：a_x表示末端直线位置的加速度；k表示加速度直线的斜率；t₁，t₂，...，t₄分别表示加速度各分段点对应的时间，t为直线运动的时间。在该模式下，由于k为固定值，所以根据直线位移的长度L计算出t₁，t₂，t₃，t₄等时间参数。

在上述三种运动模型中，加速度的斜率k为已知值，所以通过直线位移的长度L可以计算出相应的时间段和各分段点对应的时间，再计算出各时间段对应的位移的长度。在每个时间段的位移长度中获得多个离散坐标点，计算每个坐标点的坐标值。依次结合坐标值和预设的逆运动学公式获取机器人的旋转轴的旋转角度，所述旋转角度包括第一旋转轴的旋转角度θ₁和第二旋转轴的旋转角度θ₂。

获得坐标点的坐标值(x，y)，可得到正运动学方程：

x＝(2L₁cosθ₂+L₂)cosθ₁

y＝(2L₁cosθ₂+L₂)sinθ₁

其中，x，y为坐标点的坐标值，根据正运动学方程可推导出下面的逆运动学方程：

根据逆运动学方程求解到旋转角度θ₁和θ₂后，根据旋转角度获取旋转脉冲数，结合旋转角度和每个时间段的时间值计算旋转轴的旋转速度，并根据脉冲数和旋转速度控制机器人进行直线移动，从而让机械臂平滑的做直线运动。上述控制机器人进行直线移动的步骤，可以采用PLC来实现控制，从而简化控制方式，实现简单的方式实现三轴高速传输机器人的直线运动。

上述方法，通过采用S型曲线运动模型规划物料传输的路径，将直线位移划分为多段线段，每段线段的工作加速度和速度不同，运动的加速度具有良好的连续性，所以每段线段间有很好的缓冲过度，避免剧烈抖动，传输路径平滑顺畅，确保物料在传输的过程中不被损坏。本方法中，根据机械臂的末端的直线位移选择不同的运动模型，从而使不同长度的直线位移都适合本路径规划方法。在上述方法中，加速度的值一直处于合理的范围，且速度平缓，不会产生突然加速和突然骤停，确保物料不被损坏。另外，本方法通过脉冲数来控制旋转角度，操作简单，易于实现，降低了控制成本，更加方便路径规划。

实施例二

如图8所示，机器人直线路径的规划系统，包括计算位移模块、选择模型模块和计算参数模块；

所述计算位移模块用于获取机器人传输的起点和终点后，根据起点和终点计算机器人的机械臂的末端的直线位移；

所述选择模型模块用于结合直线位移和预设的长度区间选择机器人的运动模型后，根据运动模型的时间参数将直线位移划分为多段线段，并在每段线段上获取多个离散坐标点后，计算离散坐标点的坐标值；

所述计算参数模块用于依次结合坐标值、时间参数和预设的逆运动学公式计算机器人的旋转轴的旋转参数，并根据旋转参数规划机器人的直线路径。

进一步作为优选的实施方式，所述计算位移模块包括第一模块和第二模块；

所述第一模块用于获取机器人传输的起点和终点后，将机器人的机械臂的末端移动至起点位置，并记录第一坐标值；

所述第二模块用于将机械臂的末端移动至终点位置后，记录下第二坐标值，并根据第一坐标值和第二坐标值计算机械臂的末端直线位移。

进一步作为优选的实施方式，所述机器人为三轴高速传输机器人，所述三轴高速传输机器人的机械臂包括三连接杆和用于依次连接三连接杆的两旋转轴，还包括初始设置模块；

所述初始设置模块用于将机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化机械臂的末端的坐标值。

上述系统根据机械臂的末端的直线位移选择不同的运动模型后，根据时间参数将直线位移划分为多段线段，再结合时间参数和多段线段上的坐标点计算旋转轴的旋转参数，从而使机器人的直线路径更加平滑，避免剧烈抖动，确保物料不被损坏。

本实施例的机器人直线路径的规划系统，可执行本发明方法实施例所提供的机器人直线路径的规划方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.机器人直线路径的规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取机器人传输的起点和终点后，根据起点和终点计算机器人的机械臂的末端的直线位移；

S2、结合直线位移和预设的长度区间选择机器人的运动模型后，根据运动模型的时间参数将直线位移划分为多段线段，并在每段线段上获取多个离散坐标点后，计算离散坐标点的坐标值；

S3、依次结合坐标值、时间参数和预设的逆运动学公式计算机器人的旋转轴的旋转参数，并根据旋转参数规划机器人的直线路径；

所述步骤S2，具体包括以下步骤：

S21、结合直线位移和预设的长度区间判断直线位移所属的长度区间后，选择相应的运动模型；

S22、根据直线位移获取运动模型的多个时间参数后，根据时间参数将直线位移划分为多段线段，并计算每段线段的长度；

S23、依次根据长度在每段线段上获取多个离散坐标点，并计算离散坐标点的坐标值。

2.根据权利要求1所述的机器人直线路径的规划方法，其特征在于，所述步骤

S1，具体包括以下步骤：

S11、获取机器人传输的起点和终点后，将机器人的机械臂的末端移动至起点位置，并记录第一坐标值；

S12、将机械臂的末端移动至终点位置后，记录下第二坐标值，并根据第一坐标值和第二坐标值计算机械臂的末端直线位移。

3.根据权利要求2所述的机器人直线路径的规划方法，其特征在于，所述机器人为三轴高速传输机器人，所述三轴高速传输机器人的机械臂包括三连接杆和用于依次连接三连接杆的两旋转轴，在步骤S1前还包括步骤S0，具体为：S0、将机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化机械臂的末端的坐标值。

4.根据权利要求3所述的机器人直线路径的规划方法，其特征在于，所述运动模型包括第一运动模型、第二运动模型和第三运动模型，所述运动模型采用S型曲线运动模型，所述预设的长度区间包括第一长度区间、第二长度区间和第三长度区间；

若直线位移的长度小于或等于第一预设长度，则直线位移属于第一长度区间，并选择第一运动模型；

若直线位移的长度大于第一预设长度且小于或等于第二预设长度，则直线位移属于第二长度区间，并选择第二运动模型；

若直线位移的长度大于第二预设长度，则直线位移属于第二长度区间，并选择第三运动模型。

5.根据权利要求4所述的机器人直线路径的规划方法，其特征在于，所述旋转参数包括旋转角度和旋转速度，采用旋转脉冲数控制旋转轴的旋转角度；

所述步骤S11中还包括记录初始位置对应的各个轴的脉冲数的步骤，具体为：

在机器人的机械臂的末端移动至起点位置后，记录初始点脉冲数；

所述步骤S12中还包括记录终点位置对应的各个轴的脉冲数的步骤，具体为：

在机器人的机械臂的末端移动至起点位置后，记录最终点脉冲数；

所述步骤S0中还包括零点脉冲数的步骤，具体为：在机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化该状态下的脉冲数。

6.根据权利要求5所述的机器人直线路径的规划方法，其特征在于，所述步骤

S3，包括以下步骤：

S31、依次结合坐标值和预设的逆运动学公式获取机器人的旋转轴的旋转角度，并根据旋转角度和预设的离散时间计算旋转脉冲数；

S32、结合旋转角度和时间参数计算旋转轴的旋转速度；

S33、根据脉冲数和旋转速度控制机器人进行直线移动，实现机器人的直线路径规划。

7.机器人直线路径的规划系统，其特征在于，包括计算位移模块、选择模型模块和计算参数模块；

所述计算位移模块用于获取机器人传输的起点和终点后，根据起点和终点计算机器人的机械臂的末端的直线位移；

所述选择模型模块用于结合直线位移和预设的长度区间选择机器人的运动模型后，根据运动模型的时间参数将直线位移划分为多段线段，并在每段线段上获取多个离散坐标点后，计算离散坐标点的坐标值；

所述计算参数模块用于依次结合坐标值、时间参数和预设的逆运动学公式计算机器人的旋转轴的旋转参数，并根据旋转参数规划机器人的直线路径；

所述选择模型模块具体用于：

结合直线位移和预设的长度区间判断直线位移所属的长度区间后，选择相应的运动模型；

根据直线位移获取运动模型的多个时间参数后，根据时间参数将直线位移划分为多段线段，并计算每段线段的长度；

依次根据长度在每段线段上获取多个离散坐标点，并计算离散坐标点的坐标值。

8.根据权利要求7所述的机器人直线路径的规划系统，其特征在于，所述计算位移模块包括第一模块和第二模块；

所述第一模块用于获取机器人传输的起点和终点后，将机器人的机械臂的末端移动至起点位置，并记录第一坐标值；

所述第二模块用于将机械臂的末端移动至终点位置后，记录下第二坐标值，并根据第一坐标值和第二坐标值计算机械臂的末端直线位移。

9.根据权利要求8所述的机器人直线路径的规划系统，其特征在于，所述机器人为三轴高速传输机器人，所述三轴高速传输机器人的机械臂包括三连接杆和用于依次连接三连接杆的两旋转轴，还包括初始设置模块；

所述初始设置模块用于将机械臂的三连接杆伸直成一条直线后，初始化机械臂的末端的坐标值。

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