CN109683615A - 机器人连续运动的路径的速度前瞻方法及机器人控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，其包括按照加速度不为零的升速曲线分别进行反向升速规划和正向升速规划的步骤，并且在反向升速规划中考虑了因进行速度空间转换所带来的加速度的影响。本发明还提供了一种机器人控制器。本发明解决了机器人在笛卡尔空间和关节空间的连续轨迹规划问题，保证机器人连续运动规划过程中各路径的节点速度满足速度规划要求。
Description
技术领域
本发明涉及速度规划技术。
背景技术
机器人的轨迹规划是机器人控制算法的重要组成之一，它是路径规划和各个节点速度已经确定的基础上进行的速度规划和插补。在机器人的路径规划满足曲率连续的前提下，轨迹规划要求机器人速度规划满足速度和加速度连续。当机器人的作业任务只有一段路径时，那么不需要进行轨迹速度前瞻，就可以完成从0到0的速度规划。但是，通常机器人的一个作业任务会包含多个路径段，此时需要在路径规划时插入转接路径来实现路径的平滑，然后加入轨迹速度前瞻来确定每段路径节点的速度和加速度，为后面的实时轨迹规划提供初始条件。
路径各个节点速度的给定是否合理，将直接影响机器人的实时轨迹规划，不合理的节点速度给定会导致机器人超速，路径结束速度无法降到0，以及关节空间和笛卡尔空间路径转换的时候，发生速度跳变。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，其能够解决机器人连续运动规划过程的节点速度给定问题，保证机器人在关节空间和笛卡尔空间的路径均可以进行连续轨迹规划。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种机器人控制器。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，包括以下步骤：
根据约束条件，按照加速度不为零的升速曲线依次对机器人连续运动的路径的各个节点进行反向升速规划；在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行反向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i-1个路径段分别处于不同空间的情况，则计算空间转换带来的第i个路径段的起点的加速度，并根据所述加速度重新计算第i个路径段的起点速度，该重新计算得到的第i个路径段的起点速度在具有所述加速度的情况下能够满足对第i个路径段的终点速度的规划要求，并且，将在反向升速规划过程中所得到的每个节点的速度与该节点的速度限值进行比较，如果反向升速规划得到的节点速度大于所述速度限值，则将反向升速规划得到的节点速度调整为所述速度限值，按照速度限值进行反向升速规划；所述约束条件包括路径的段数N、每一路径段的长度、最大速度、最大加速度和最大加加速度；1≤i≤N；
根据所述约束条件，按照加速度不为零的升速曲线对机器人连续运动的路径的各个节点进行正向升速规划，在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行正向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i+1个路径段处于不同空间的情况，则计算空间转换带来的第i个路径段的终点的加速度，将第i个路径段的终点的加速度值作为第i+1个路径段的升速规划中的初始加速度值，并且，将在正向升速规划过程中所得到的每个节点的速度与反向升速规划所得到的该节点的速度值进行比较，如果正向升速规划得到的节点速度大于反向升速规划得到的节点速度，则将正向升速规划得到的节点速度调整为反向升速规划所得到的节点速度值，按照反向升速规划所得到的节点速度值进行正向升速规划；
将正向升速规划得到的所有节点的速度作为速度前瞻的结果。
本发明还提供了一种机器人控制器，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行前述的速度前瞻方法。
根据本发明实施例的机器人连续运动的路径速度前瞻方法按照加速度不为零的升速曲线分别进行反向升速规划和正向升速规划，并且在反向升速规划中考虑了因进行速度空间转换所带来的加速度的影响，解决了机器人在笛卡尔空间和关节空间的连续轨迹规划问题，保证机器人连续运动规划过程中各路径的节点速度满足速度规划要求。
附图说明
图1示出了S型速度曲线的示意图。
图2至图6示出了多种加速度不为零的S型升速曲线的示意图。
图7示出了根据本发明一实施例的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法的流程示意图。
图8示出了反向速度规划的过程中关节空间向笛卡尔空间切换时重新计算第i个路径段的起点在关节空间的速度的流程示意图。
图9示出了通过仿真双向的升速规划后所获得的速度极值曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图7。根据本发明实施例的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，包括以下步骤：
根据约束条件，按照加速度不为零的升速曲线依次对机器人连续运动的路径的各个节点进行反向升速规划；在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行反向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i-1个路径段分别处于不同空间的情况，则计算空间转换带来的第i个路径段的起点的加速度，并根据该加速度重新计算第i个路径段的起点速度，该重新计算得到的第i个路径段的起点速度在具有所述加速度的情况下能够满足对第i个路径段的终点速度的规划要求，并且，在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行反向升速规划的过程中，将在反向升速规划过程中所得到的每个节点的速度与该节点的速度限值进行比较，如果反向升速规划得到的节点速度大于速度限值，则将反向升速规划得到的节点速度调整为该速度限值，按照速度限值进行反向升速规划；约束条件包括路径的段数N、每一路径段的长度、最大速度、最大加速度和最大加加速度；1≤i≤N；
步骤b、根据所述约束条件，按照加速度不为零的升速曲线对机器人连续运动的路径的各个节点进行正向升速规划，在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行正向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i+1个路径段处于不同空间的情况，则计算空间转换带来的第i个路径段的终点的加速度，将第i个路径段的终点的加速度值作为第i+1个路径段的升速规划中的初始加速度值，并且，将在正向升速规划过程中所得到的每个节点的速度与反向升速规划所得到的该节点的速度值进行比较，如果正向升速规划得到的节点速度大于反向升速规划得到的节点速度，则将正向升速规划得到的节点速度调整为反向升速规划所得到的节点速度值，按照反向升速规划所得到的节点速度值进行正向升速规划；
步骤c、将正向升速规划得到的所有节点的速度作为速度前瞻的结果。
当用户给定机器人连续运动的路径后，经过路径平滑处理后，将路径分成了N段，并确定了N+1个路径节点。轨迹速度前瞻的目的就是计算这些路径节点的速度，以保证后序进行实时连续轨迹规划，使速度、加速度连续且各个节点速度满足限制条件。每一节点的速度限值可根据节点处的法向加速度和法向跃度、弓高误差、进给速度指令和各轴伺服能力等来确定，确定的方式为现有技术，在此不再赘述。每一路径段的长度、最大速度、最大加速度和最大加加速度也可以由用户给定。加速度不为零的升速曲线的形式例如可以采用S型速度曲线的形式，如图1所示，但不限于此，其它的满足加速度不为零、加加速度有界的升速曲线同样适用。图1中V表示速度，A表示加速度，J表示加加速度，t表示时间。
在本实施例中，在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行反向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i-1个路径段分别处于第一空间和第二空间的情况时，按照以下步骤计算第i个路径段的起点速度：
s11、根据第i个路径段的终点在第一空间的速度Vi_1、约束条件所规定的第i个路径段的长度La、以及加速度不为零的升速曲线得到第i个路径段的起点在第一空间的速度Vi-1_1；
s12、根据第i个路径段的起点在第一空间的速度Vi-1_1，通过雅克比矩阵计算得到第i个路径段的起点在第二空间的速度Vi-1_2；
s13、根据第i个路径段的起点在第二空间的速度Vi-1_2，通过计算得到第i个路径段的起点在第一空间的加速度Ai-1_1；
s14、根据第i个路径段的起点在第一空间的速度Vi-1_1和加速度Ai-1_1、以及第i个路径段的终点在第一空间的速度Vi_1，计算第i个路径段的长度L；
s15、如果L大于等于La，则重新计算第i个路径段的起点在第一空间的速度，重新计算得到的第i个路径段的起点在第一空间的速度等于(Vi_1+Vi-1_1)/2；
s16、按照重新计算得到的第i个路径段的起点在第一空间的速度重复执行上述的步骤s12至步骤s15，直到计算得到的第i个路径段的长度L小于La。
上述的第一空间为关节空间或笛卡尔空间中的一者，上述的第二空间为关节空间或笛卡尔空间中的另一者。
以下对根据本发实施例的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法进行更加详细的说明。根据本发实施例的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法主要包括反向升速规划的步骤(即步骤a)和正向升速规划的步骤(即步骤b)。
在反向升速规划的步骤中，接收外部输入的约束条件以及各节点的速度限值后，从最后一段路径的终点(即第N+1个节点)开始进行反向升速规划。最后一段路径的结束速度和结束加速度必须为0，以保证在轨迹规划过程中机器人的TCP(Tool Center Point)有足够的距离可以减速并最终停止在结束点。在每段路径内，进行反向的升速轨迹规划，即计算终点到起点的升速规划，规划曲线可参考图1的S型速度曲线，但不局限于S型速度曲线。在关节空间路径和笛卡尔空间路径的圆滑过程中，需要进行速度空间的转换，同时会引入加速度。因此，本实施例针对空间变换的路径，在进行反向速度规划的时候也考虑了加速度的影响，采用了加速度不为零的升速曲线，如图2至图6所示。
以反向速度规划时关节空间向笛卡尔空间切换为例。假设第i个路径段(即第i段路径)为关节路径，第i-1个路径段为笛卡尔路径，第i个路径段的终点(也可称为反向起点)的速度为Vi_joint，计算第i个路径段的起点(也可称为反向终点或反向结束点)的速度Vi-1_joint的流程如图8所示。首先，由反向升速规划曲线可以获得第i-1个路径段(即第i-1段路径)的反向结束点的速度为Vi-1_joint，然后将该关节空间速度通过雅克比矩阵转换到笛卡尔空间，获得笛卡尔空间速度，记为Vi-1_Cart。当进行正向规划的时候，即由第i-1个路径段的笛卡尔路径转接到第i个路径段的关节路径时，速度将从Vi-1_Cart转换到Vi-1_joint，同时会带来一个关节加速度值Ai-1_joint，该加速度值的大小可以通过雅克比矩阵的导数计算获得。不难看出，由于Ai-1_joint的存在，不一定能够到达第i个路径段的终点速度Vi_joint。因此，当出现无法到达的情况，则需要重新计算一个新的Vi-1_joint值，以满足初始条件是Ai-1_joint和Vi-1_joint、结束条件是Vi_joint的规划。
以迭代方法计算Vi_joint为例，根据初始加速度为Ai-1_joint、初始速度为Vi-1_joint、结束速度为Vi_joint计算第i个路径段的长度L，当计算出的路径长度L大于约束条件所规定的第i个路径段的长度La时，说明当前计算的速度Vi-1_joint不能满足规划要求，需要重新计算。记最大速度Vh＝Vi-1_joint，最小速度Vl＝Vi_joint，计算一个新的速度Vm＝(Vi_joint+Vi-1_joint)/2，将Vm作为第i个路径段的起点在关节空间的速度Vi-1_joint。然后重复上面的速度空间转换过程，在新的初始加速度值Ai-1_joint、Vm、结束速度Vi_joint的情况下，计算新的第i个路径段的长度L，直到L小于La，则循环结束。
在反向升速规划过程中，按照加速度不为零的升速曲线所直接得到的节点速度以及通过上述重新计算的方式所得到的节点速度还要与相应节点的速度限值进行比较，如果反向升速规划得到的节点速度大于速度限值，则将反向升速规划得到的节点速度调整为速度限值，将该速度极值作为下一段路径终点的起始速度进行反向升速规划。
在正向升速规划的步骤中，按照加速度不为零的升速曲线从第1个路径段开始前向进行升速规划，直到最后一个路径段。正向升速规划在反向升速规划的基础上继续向前的求解，并将正向升速规划过程中所得到的每个节点的速度与反向升速规划所得到的该节点的速度值进行比较，取小值。当出现空间转换的情况，则要计算由空间速度变换带来的加速度值，该加速度值可以由雅克比矩阵的导数计算获得。然后，将该加速度值带到下一段的升速规划初始条件中，以S型速度曲线为例，加速度不为零的升速曲线如图2至图6所示。
执行反向升速规划的步骤后可以获得一条反向的速度极值曲线，执行正向升速规划的步骤后可以获得一条正向的速度极值曲线，正向的速度极值曲线所确定的各个节点速度，即为轨迹速度前瞻的结果。图9示出了通过仿真双向的升速规划后所获得的速度极值曲线的示例，仿真的路径段数为10段。
由于双向的速度规划中，已经考虑机器人的运动和动力学约束。所以，该轨迹速度前瞻的结果可以保证整个连续轨迹规划过程中的速度、加速度、力矩等满足约束条件。
本发明还提供了一种机器人控制器，包括存储器和处理器。存储器用于存储程序；处理器，用于加载所述程序以执行前述的速度前瞻方法。
根据本发明实施例的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法不限定于固定段数的连续路径，在实际过程中，可以设定一个前瞻段数，然后边规划，边向前移动前瞻路径。
Claims (5)
1.一种机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据约束条件，按照加速度不为零的升速曲线依次对机器人连续运动的路径的各个节点进行反向升速规划；在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行反向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i-1个路径段分别处于不同空间的情况，则计算空间转换带来的第i个路径段的起点的加速度，并根据所述加速度重新计算第i个路径段的起点速度，该重新计算得到的第i个路径段的起点速度在具有所述加速度的情况下能够满足对第i个路径段的终点速度的规划要求，并且，将在反向升速规划过程中所得到的每个节点的速度与该节点的速度限值进行比较，如果反向升速规划得到的节点速度大于所述速度限值，则将反向升速规划得到的节点速度调整为所述速度限值，按照速度限值进行反向升速规划；所述约束条件包括路径的段数N、每一路径段的长度、最大速度、最大加速度和最大加加速度；1≤i≤N；
根据所述约束条件，按照加速度不为零的升速曲线对机器人连续运动的路径的各个节点进行正向升速规划，在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行正向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i+1个路径段处于不同空间的情况，则计算空间转换带来的第i个路径段的终点的加速度，将第i个路径段的终点的加速度值作为第i+1个路径段的升速规划中的初始加速度值，并且，将在正向升速规划过程中所得到的每个节点的速度与反向升速规划所得到的该节点的速度值进行比较，如果正向升速规划得到的节点速度大于反向升速规划得到的节点速度，则将正向升速规划得到的节点速度调整为反向升速规划所得到的节点速度值，按照反向升速规划所得到的节点速度值进行正向升速规划；
将正向升速规划得到的所有节点的速度作为速度前瞻的结果。
2.根据权利要求1所述的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，其特征在于，在按照加速度不为零的升速曲线对路径的各个节点进行反向升速规划的过程中，若出现第i个路径段与第i-1个路径段分别处于第一空间和第二空间的情况时，按照以下步骤计算第i个路径段的起点速度：
s11、根据第i个路径段的终点在第一空间的速度Vi_1、约束条件所规定的第i个路径段的长度La、以及加速度不为零的升速曲线得到第i个路径段的起点在第一空间的速度Vi-1_1；
s12、根据第i个路径段的起点在第一空间的速度Vi-1_1，通过雅克比矩阵计算得到第i个路径段的起点在第二空间的速度Vi-1_2；
s13、根据第i个路径段的起点在第二空间的速度Vi-1_2，通过计算得到第i个路径段的起点在第一空间的加速度Ai-1_1；
s14、根据第i个路径段的起点在第一空间的速度Vi-1_1和加速度Ai-1_1、以及第i个路径段的终点在第一空间的速度Vi_1，计算第i个路径段的长度L；
s15、如果L大于等于La，则重新计算第i个路径段的起点在第一空间的速度，重新计算得到的第i个路径段的起点在第一空间的速度等于(Vi_1+Vi-1_1)/2；
s16、按照重新计算得到的第i个路径段的起点在第一空间的速度重复执行步骤s12至步骤s15，直到计算得到的第i个路径段的长度L小于La。
3.根据权利要求2所述的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，其特征在于，所述的第一空间为关节空间或笛卡尔空间中的一者，所述的第二空间为关节空间或笛卡尔空间中的另一者。
4.根据权利要求1所述的机器人连续运动的路径的速度前瞻方法，其特征在于，所述的加速度不为零的升速曲线为S型升速曲线。
5.一种机器人控制器，其特征在于，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1至4中任何一项所述的速度前瞻方法。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 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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