CN109648557B - 一种六轴机器人空间运动规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人空间运动规划方法，适用于六轴机器人，该方法包括：读取示教器中人工示教好的空间点位坐标与对应运动命令；计算出空间运动轨迹；根据空间运动轨迹得到示教中间点；计算各路径曲线在示教点处的空间切线方向夹角及其空间姿态角；计算相邻路径在中间示教点处的切线方向夹角差和空间姿态角度之差；通过所得值与设定阈值比较，计算经过该示教中间点的速度和加速度；通过路径规划函数，得到各个路径段的加减速运动参数；加减速运动参数输入到机器人运动控制库中，实时计算末端对应位置、姿态及相应编码器值，控制机器人各轴电机运动，完成机器人在示教路径上的空间运动。上述技术方案的有益效果是：保证了机器人运动的快速性和连续性，并通过减小冲击提高了运动的准确性。

Description

一种六轴机器人空间运动规划方法

技术领域

本发明涉及一种机器人运动规划方法，尤其涉及一种六轴机器人空间运动规划方法。

背景技术

六自由度工业机器人机械臂主要用来代替人类进行一些重复性强或者危险性大的操作。像实际生产中的上下料、重物搬运、产品安装等过程，以及工艺过程繁杂、中间点位众多的喷涂、焊接等操作，都在广泛应用六轴机器人。虽然应用场景不同，但它们对于机器人系统运动的精确性、快速性和连续性等性能有比较高的需求。而由于传统空间运动规划方法的局限，因此系统往往在精确性和快速性等方面的提高不能两全，而且由于机器人会在每个中间点完全停止，因此实际生产中连续性会受到影响，生产的节拍很难进一步提高。

在喷涂、焊接比较复杂的机器人应用中，运动路径间往往并不圆滑，而且机器人末端的姿态变化也会比较大，在机器人快速运动的情况下，如果不能减小由于运动加减速产生的冲击，机器人末端的运动精确性就会受影响。因此如何在路径运动规划中，合理规划经过各示教中间点的速度、加速度，保证机器人在奇异点附近的正常运动，成为保证运动精确性的同时提高运动快速性的关键。

发明内容

为解决上述问题，现提供一种六轴机器人空间运动规划方法，具体如下：

一种机器人空间运动规划方法，适用于六轴机器人，其中，所述六轴机器人的机器人控制器连接一示教器，于所述示教器中预先设定了多个空间示教点以及各个所述空间示教点所对应的运动命令，还包括以下步骤：

步骤S1：所述机器人控制器读取所述示教器中的所述空间示教点的坐标与对应的运动命令；

步骤S2：所述机器人控制器根据所述运动命令中的参数，计算出对应的所述空间示教点之间的空间运动路径；

步骤S3，所述机器人控制器根据各个所述空间示教点以及对应的所述空间运动路径计算得到各个所述空间运动路径所对应的示教中间点；

步骤S4：所述机器人控制器计算各个所述空间运动路径在所述示教中间点处的空间切线方向的夹角及空间姿态矩阵，随后计算出相邻的所述空间运动路径在所述示教中间点处的空间切线方向的夹角之间的第一角度差和空间姿态角之间的第二角度差；

步骤S5：分别将所述第一角度差和所述第二角度差与预设定的阈值进行比较，并根据比较结果计算出经过所述示教中间点的速度和加速度；

步骤S6：将所述运动运命令中的参数及所述示教中间点的速度和加速度作为输入参数输入到所述机器人控制器中，以采用预设的运动规划函数对所述六轴机器人的运动进行规划，并得到所述六轴机器人的规划运动参数；

步骤S7：所述机器人控制器根据所述规划运动参数形成的机器人运动轨迹，控制所述六轴机器人在经过所述示教中间点的示教路径上进行空间运动。

优选的，所述的机器人空间运动规划方法，其中，所述运动命令中的参数包括所述空间运动路径的路径长度、所述六轴机器人依据所述空间运动路径进行运动的额定速度和所述六轴机器人的末端姿态。

优选的，所述的机器人空间运动规划方法，其中，所述步骤S3还包括以下步骤：

步骤S31：判断所述空间运动路径是否是由圆弧过渡连接的直线路径；

若是则转到步骤S32；

若否则转到步骤S33；

步骤S32：求出所述空间运动路径的中段点的坐标和姿态，作为所述示教中间点，随后转向所述步骤S4；

步骤S33：判断所述示教中间点是否都在所述空间运动路径上；

若是，则直接记录所述示教中间点，随后转向所述步骤S4；

若否则转到步骤S34；

步骤S34：根据等比例划分原则，求出所述示教中间点所对应的所述空间运动路径上的点的坐标及姿态。

优选的，所述的机器人空间运动规划方法，其中，所述示教中间点的速度和加速度计算方法包括以下步骤：

步骤S51：判断所述第一角度差或第二角度差是否超出预设定阈值；

若是则转入步骤S52；

若否则转入步骤S53；

步骤S52：将所述示教中间点设为终止点，并将所述六轴机器人的末端经过所述终止点的速度与加速度设定为零，随后转到步骤S6；

步骤S53：将所述示教中间点设为过程点，根据所述示教中间点处的空间切线方向的夹角及所述角度差所对应的比例系数和前后两段所述空间运动路径的额定速度，通过预设的计算公式进行计算，得到经过该点的速度和加速度，随后转到步骤S6。

优选的，所述的机器人空间运动规划方法，其中，所述预设的计算公式具体为：

经过所述示教中间点的速度：

经过所述示教中间点的加速度：

其中θ为所述第一角度差，β所述第二角度差，θ_th、β_th为对应的所述限定阈值，v_p、v_n，为所述中间示教点前后的路径期望速度，a_p、a_n为所述中间示教点前后的路径期望加速度优选的，所述的机器人空间运动规划方法，其中，所述步骤S6中还包括以下步骤：

步骤S61：判断所述输入参数是否可以应用于S型曲线加减速方法对所述六轴机器人进行运动规划；

若是则转向步骤S62；

若否则转向步骤S63；

步骤S62：应用S型加减速方法对所述六轴机器人进行运动规划，并输出所述规划运动参数，随后转到步骤S7；

步骤S63：应用梯形加减速方法对所述六轴机器人进行运动规划，并输出所述规划运动参数，随后转到步骤S7。

优选的，所述的机器人空间运动规划方法，其中，所述步骤S6中的规划运动参数包括所述六轴机器人的运动时间、加减速时间。

优选的，还提供一种六轴机器人，应用上述的机器人空间运动规划方法。

上述技术方案的有益效果是：

不需要在所有示教点位置停止，根据示教中间点前后路径夹角与机器人末端姿态变化选择最合适的运动速度，保证了运动的快速性和连续性。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中，机器人空间运动规划方法步骤流程图；

图2是本发明较佳实施例中，示教中间点速度与加速度计算步骤流程图；

图3是本发明较佳实施例中，以S型加减速曲线的方式对机器人运动路径规划后的加减速曲线图；

图4是本发明较佳实施例中，以梯形加减速曲线的方式对机器人运动路径规划后的加减速曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

现有的机器人空间运动规划方法，运动路径间往往并不圆滑，而且机器人末端的姿态变化也会比较大，在机器人快速运动的情况下，如果不能减小由于运动加减速产生的冲击，机器人末端的运动精确性就会受影响，导致现有机器人运动过程中不能同时保证精确性和快速性。

为解决上述问题，本发明较佳实施例中，提供一种适用于六轴机器人的机器人空间运动规划方法，如图1所示，包括：

一种机器人空间运动规划方法，适用于六轴机器人，其特征在于，包括以下步骤：

一种机器人空间运动规划方法，适用于六轴机器人，其中，所述六轴机器人的机器人控制器连接一示教器，于所述示教器中预先设定了多个空间示教点以及各个所述空间示教点所对应的运动命令，还包括以下步骤：

步骤S1：所述机器人控制器读取所述示教器中的所述空间示教点的坐标与对应的运动命令；

步骤S2：所述机器人控制器根据所述运动命令中的参数，计算出对应的所述空间示教点之间的空间运动路径；

步骤S3，所述机器人控制器根据各个所述空间示教点以及对应的所述空间运动路径计算得到各个所述空间运动路径所对应的示教中间点；

步骤S4：所述机器人控制器计算各个所述空间运动路径在所述示教中间点处的空间切线方向的夹角及空间姿态矩阵，随后计算出相邻的所述空间运动路径在所述示教中间点处的空间切线方向的夹角之间的第一角度差和空间姿态角之间的第二角度差；

步骤S5：分别将所述第一角度差和所述第二角度差与预设定的阈值进行比较，并根据比较结果计算出经过所述示教中间点的速度和加速度；

步骤S6：将所述运动运命令中的参数及所述示教中间点的速度和加速度作为输入参数输入到所述机器人控制器中，以采用预设的运动规划函数对所述六轴机器人的运动进行规划，并得到所述六轴机器人的规划运动参数；

步骤S7：所述机器人控制器根据所述规划运动参数形成的机器人运动轨迹，控制所述六轴机器人在经过所述示教中间点的示教路径上进行空间运动。

进一步地，本发明较佳实施例中，上述步骤2中通过相应的解析函数解析示教点位之间的运动命令，得到的相应的示教运动轨迹，所述运动轨迹为直线、圆、空间曲线等曲线。

本发明较佳实施例中，在上述步骤S2中，不同的运动轨迹曲线，计算示教中间点的方法也不一样，对于样条曲线示教中间点均在曲线上，可以不用做额外处理；对于对于贝塞尔曲线，由等比例划分的原则，求出示教中间点所对应的曲线上点的坐标及姿态；对于由圆弧连接的直线路径，求出圆弧中段点的坐标和姿态。

进一步地，本发明较佳实施例中，对上述解析后的路径，求出各示教中间点处路径的切线空间角度，对于示教点不在曲线上的情况，用求出的运动中间点代替。

进一步地，本发明较佳实施例中，对于上述步骤S4中计算示教中间点的速度与加速度的方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤S51：判断所述第一角度差或第二角度差是否超出预设定阈值；；

若是则转入步骤S52；

若否则转入步骤S53；

步骤S52：所述差值对应的示教中间点为终止点，将机器人末端经过该点的速度与加速度设定为零，随后转入步骤S6；

步骤S53：所述差值对应的示教中间点为过程点，根据该示教中间点的空间切角及所述空间切角的角度差所对应的比例系数和前后连段路径的额定速度，通过预设的计算公式进行计算，得到经过该点的速度和加速度，，随后转入步骤S6。

进一步地，本发明较佳实施例中，本方法通过以下公式计算上述示教中间点的速度与加速度：

中间点速度：

中间点加速度：

其中θ为所述第一角度差，β所述第二角度差，θ_th、β_th为对应的所述限定阈值，v_p、v_n，为所述中间示教点前后的路径期望速度，a_p、a_n为所述中间示教点前后的路径期望加速度。

本发明较佳实施例中，上述控制器完成对机器人运动规划后，获得相应机器人的规划运动参数，并将所述参数输入到机器人控制器中，控制机器人按示教的运动轨迹运动。

本发明较佳实施例中，对于机器人运动规划，上述控制器会优先规划最长轴的运动，并获得最长轴的规划运动时间、速度和加速度，以该运动时间为附加限定条件，规划其余各轴运动。其中，若除最长轴外的轴运动根据运动规划函数求得的速度、加速度超过设定限制值，则根据最大限定值重新规划，保证运动的正确性。

进一步地，本发明较佳实施例中，上述控制器规划机器人运动轨迹时，会优先采用S型曲线加减速的方式规划路径，如图3所示，整个S规划分为7个阶段：加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速。S型曲线加减速控制是指在加减速时，通过对加加速度值的控制来最大限度地减小对机械本体的和电机造成的冲击，这种规划方法保证了加速度的连续性，机器人子开始运动，到达到最高速和结束运动时，能够实现速度的平稳过度。

本发明较佳实施例中，当初始条件不能满足S型曲线加减速的情况，控制器会采用梯形曲线加减速方法对机器人运动进行规划，梯形曲线加减速的速度曲线如图4所示，梯形曲线规划分为3个阶段，加速、匀速、减速；该规划方式可以充分发挥个关节的加速能力，缩短运动时间，且最大加速度较小。

本发明较佳实施例中，通过控制器与伺服驱动器之间的总线通信，周期性的计算各个轴需要到达的编码器值，实现符合设定加减速变化规律的运动，并能在特定的示教中间点上保持连贯性和快速性。

进一步地，本发明较佳实施例中，当运动过程中有调速命令传入控制器时，根据系统的初始速度、加速度等运动参数，重新对余下路径进行运动规划，保证调速过程的快速和无冲击。

本发明较佳实施例中，若路径中的其中一段会使六轴机器人接近自身运动的奇异点，则根据奇异点的类型，保持对应轴在这一段路径中固定偏离特定角度，保证系统运动的连贯性。

综上所述，本发明较佳实施例中，通过示教器预先设定机器人运动轨迹，并设置与之相应的示教点，控制器读取示教器上示教保存的空间点位和程序命令，并由相应的解析函数解析点位之间的运动命令，经过计算得到相关运动数据，将所述数据输入到控制器中，完成机器人的运动规划，并将规划的数值及编码输入到运动控制库，控制机器人完成空间运动。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种机器人空间运动规划方法，适用于六轴机器人，其特征在于，所述六轴机器人的机器人控制器连接一示教器，于所述示教器中预先设定了多个空间示教点以及各个所述空间示教点所对应的运动命令，还包括以下步骤：

步骤S1：所述机器人控制器读取所述示教器中的所述空间示教点的坐标与对应的运动命令；

步骤S2：所述机器人控制器根据所述运动命令中的参数，计算出对应的所述空间示教点之间的空间运动路径；

步骤S3，所述机器人控制器根据各个所述空间示教点以及对应的所述空间运动路径计算得到各个所述空间运动路径所对应的示教中间点；

步骤S4：所述机器人控制器计算各个所述空间运动路径在所述示教中间点处的空间切线方向的夹角及空间姿态矩阵，随后计算出相邻的所述空间运动路径在所述示教中间点处的空间切线方向的夹角之间的第一角度差和空间姿态角之间的第二角度差；

步骤S5：分别将所述第一角度差和所述第二角度差与预设定的阈值进行比较，并根据比较结果计算出经过所述示教中间点的速度和加速度；

步骤S6：将所述运动运命令中的参数及所述示教中间点的速度和加速度作为输入参数输入到所述机器人控制器中，以采用预设的运动规划函数对所述六轴机器人的运动进行规划，并得到所述六轴机器人的规划运动参数；

步骤S7：所述机器人控制器根据所述规划运动参数形成的机器人运动轨迹，控制所述六轴机器人在经过所述示教中间点的示教路径上进行空间运动；

所述示教中间点的速度和加速度计算方法包括以下步骤：

步骤S51：判断所述第一角度差或第二角度差是否超出预设定阈值；

若是则转入步骤S52；

若否则转入步骤S53；

步骤S52：将所述示教中间点设为终止点，并将所述六轴机器人的末端经过所述终止的速度与加速度设定为零，随后转到步骤S6；

步骤S53：将所述示教中间点设为过程点，根据所述示教中间点处的空间切线方向的夹角及所述角度差所对应的比例系数和前后两段所述空间运动路径的额定速度，通过预设的计算公式进行计算，得到经过该点的速度和加速度，随后转到步骤S6；

所述预设的计算公式具体为：

经过所述示教中间点的速度：

经过所述示教中间点的加速度：

其中θ为所述第一角度差，β所述第二角度差，θ_th、β_th为对应的所述限定阈值，v_p、v_n，为所述中间示教点前后的路径期望速度，a_p、a_n为所述中间示教点前后的路径期望加速度。

2.如权利要求1所述的机器人空间运动规划方法，其特征在于，所述运动命令中的参数包括所述空间运动路径的路径长度、所述六轴机器人依据所述空间运动路径进行运动的额定速度和所述六轴机器人的末端姿态。

3.如权利要求1所述的机器人空间运动规划方法，其特征在于，所述步骤S3还包括以下步骤：

步骤S31：判断所述空间运动路径是否是由圆弧过渡连接的直线路径；

若是则转到步骤S32；

若否则转到步骤S33；

步骤S32：求出所述空间运动路径的中段点的坐标和姿态，作为所述示教中间点，随后转向所述步骤S4；

步骤S33：判断所述示教中间点是否都在所述空间运动路径上；

若是，则直接记录所述示教中间点，随后转向所述步骤S4；

若否则转到步骤S34；

步骤S34：根据等比例划分原则，求出所述示教中间点所对应的所述空间运动路径上的点的坐标及姿态。

4.如权利要求1所述的机器人空间运动规划方法，其特征在于，所述步骤S6中还包括以下步骤：

步骤S61：判断所述输入参数是否可以应用于S型曲线加减速方法对所述六轴机器人进行运动规划；

若是则转向步骤S62；

若否则转向步骤S63；

步骤S62：应用S型加减速方法对所述六轴机器人进行运动规划，并输出所述规划运动参数，随后转到步骤S7；

步骤S63：应用梯形加减速方法对所述六轴机器人进行运动规划,并输出所述规划运动参数，随后转到步骤S7。

5.如权利要求1所述的机器人空间运动规划方法，其特征在于，所述步骤S6中的规划运动参数包括所述六轴机器人的运动时间、加减速时间。

6.一种六轴机器人，其特征在于，应用如权利要求1-5任意一项所述的机器人空间运动规划方法。

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