CN109927031A - 一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业机器人技术领域，一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法，步骤如下：(1)六轴工业机器人建模；(2)六轴工业机器人工作空间约束；(3)六轴工业机器人关节空间路径规划；(4)六轴工业机器人笛卡尔空间路径规划。本发明首先基于关节空间进行六轴工业机器人的路径规划，可以实现人为设定的路径进行运动，而且运动的速度、加速度都可以进行控制。最重要的一点，十分安全，可以通过整条路径规划多次测试，得到一条既安全又高效的路径。本发明设计的方法，适用度高，能对大多数机器人都适用。所以对于开发人员而言，可以对不同的厂家的工业机器人进行路径规划控制。

Description

一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，特别涉及到一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法。

背景技术

工业机器人是一种主要用于工业生产自动化的机电一体化设备，被广泛用于汽车制造、机械加工、电气电子等诸多领域，是衡量一个国家科技制造水平的重要标志之一。我国是制造业大国，制造业是我国经济发展的重要支柱，随着工业4.0时代的到来，国内对机器人的需求相应地也不断增加。自20世纪50年代，工业机器人诞生及发展至今，以美国为代表的国外工业机器人技术一直处于世界领先水平。我国的工业机器人研究事业起步比较晚，随着十多年国人在机器人技术研究上的不断努力，虽然已经逐步开始缩短差距，但是现阶段我国工业机器人的发展水平与发达国家相比还存在着很大的差距。因此，不断加深对工业机器人领域的研究，对推动我国经济的发展和科学技术的进步有着至关重要的作用。

对于各个生产领域而言，工业机器人是新一代的工具，可以扩展人们的身体和智力。当工业机器人运动时，它需要一个合适的轨迹来避免与其他物体的碰撞，并通过空间坐标中的预定点，从而实现快速准确的运动。机器人轨迹规划是研究基于运动学的机器人轨迹生成算法。在工业机器人轨迹规划过程中，首先，我们需要考虑工业机器人末端执行器的一些运动状态变量，如：空间位置、姿态、空间移动速度和加速度等。其次，我们需要考虑算法的安全性、效率和准确性。一个完美的轨迹规划算法应该能够满足少量计算、各种轨迹规划曲线、安全等特点。

目前，轨迹规划算法可分为关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划。关节空间轨迹规划算法，是分别控制工业机器人每个关节的运动。关节空间轨迹算法可以分为三次样条、B样条曲线等方法，通过这些方法可以使关节角度变化平滑，而无需求解逆运动学并且减少计算量。但是关节空间轨迹规划也有不足之处，无法在笛卡尔坐标空间中显示出机器人末端执行器的清晰轨迹。笛卡尔空间轨迹规划都是在笛卡尔坐标空间中进行的，因此人们可以直观地看到工业机器人末端执行器的运动轨迹。该算法可以实现各种空间轨迹曲线，如：线性、圆形、抛物线、螺旋线等。我们可以根据已知的初始位姿、目标位姿、空间速度或总运行时间来计算末端执行器的运动轨迹，然后通过逆向运动学计算各个关节角度。但是笛卡尔空间轨迹规划也有不足之处，初始位置和目标位置距离过远时，规划成功率低，且存在安全问题，因为笛卡尔坐标系中末端执行器的位姿转换为关节角度时，存在多个逆运动学解，会陷入最优解的选择，规划失败。

工业机器人的路径规划一直是工业机器人技术领域研究的热点。文献(XX Luo,SHLi,SB Liu,GQ Liu.An optimal trajectory planning method for path tracking ofindustrial robots[J].Robotica,2019,37(3):502-520.)提出一种新的基于笛卡尔空间机器人路径规划方法，首先在不违反运动学约束的情况下，以最小时间和能量消耗为重点的最优路径跟踪制定策略；然后使用一种新颖的遗传算法GA(Genetic Algorithm)优化方法，该方法将目标路径转换为具有相对于世界笛卡尔坐标系的最佳平移和方向的曲线；最后通过区间分析，克服了解决特殊轨迹规划优化问题的难题。该文献提出的方法也存在着缺陷，首先用指定的几何路径规划轨迹，对于不同位置和姿态的目标物体的拾取不适用；其次，对于将该方法应用于六轴以下及六轴以上工业机器人时，该方法的性能有待商榷；最后该方法仅进行了仿真验证，在实体工业机器人上进行应用还缺少实验验证。文献(StilmanM.Global Manipulation Planning in Robot Joint Space With Task Constraints[J].IEEE Transactions on Robotics,2010,26(3):576-584.)提出一种受空间约束的工业机器人关节空间路径规划方法，给出了关节空间规划器的约束运动表示，并开发了两种简单有效的关节配置约束采样方法：切线空间采样和一阶收缩，从而进行关节空间路径规划。该文献提出的方法也存在着缺陷，对于一些软约束条件，运动计划不能偏向期望的机器人姿态，使工业机器人运动到未知的姿态，存在安全的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法，实现六轴工业机器人路径规划方法的系统包括UR3六轴工业机器人(Universal Robots)、工业机器人控制器、夹爪、Kinect摄像头、PC机。本系统的核心部分是设计一种既安全又高效的六轴工业机器人路径规划方法。由于UR3六轴工业机器人起始位姿与目标位姿的距离较远，本发明路径规划分为两步：通过关节空间路径规划，到达一个固定的位姿，并且以该位姿作为笛卡尔空间路径规划的起始位姿；通过笛卡尔空间路径规划，从关节空间路径规划得到的起始位姿开始，运动到目标物体的位姿，进而实现对目标物体进行拾取。此系统，搭载了Kinect摄像头，是为了识别目标物体，并给出目标物体的位姿，同时也可以识别出该环境中是否有障碍物，从而使六轴工业机器人能够避障进行路径规划。本发明是基于14.04版本Linux系统，使用ROS开源系统进行路径规划代码编写。ROS是一款主要应用于机器人开发的开源操作系统,具有多种编程语言兼容、免费开源、跨平台等优点。

本发明的技术方案：

一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法，步骤如下：

(1)六轴工业机器人建模

以UR3六轴工业机器人为研究对象，是6自由度串联工业机器人，建立UR3六轴工业机器人模型；

(2)六轴工业机器人工作空间约束

基于UR3六轴工业机器人的尺寸以及所处的工作环境，建立约束空间；通过添加六个不同位姿的长方体障碍物，建立封闭的工作空间；建立完封闭的工作空间后，将工作空间添加到UR3六轴工业机器人建模所在的世界坐标系中；

(3)六轴工业机器人关节空间路径规划

将目标物体放置到边缘适合位置以及设置不同的姿态，通过笛卡尔路径规划，使UR3六轴工业机器人从一个固定位姿到达目标物体对应的所有位姿，从而得到固定位姿，该固定位姿作为笛卡尔路径规划的起始位姿，确保笛卡尔路径规划到达所有的目标位姿；从UR3六轴工业机器人运动的起始位姿到固定位姿，中间选取五个位姿点，每一个位姿点是六个轴的转角的整体表示；选取的五个位姿点加上固定位姿点共六个位姿点，组成整条运动轨迹；通过关节空间规划算法，计算出带时间戳的整条运动轨迹，从而使UR3六轴工业机器人运动到固定位姿，为接下来的笛卡尔空间路径规划做准备；

(4)六轴工业机器人笛卡尔空间路径规划

关节空间路径规划过程，UR3六轴工业机器人运动到的固定位姿，即为当前UR3六轴工业机器人所在的起始位姿，对存放笛卡尔空间路径规划需要经过的位姿点的对象进行初始化；通过ICP算法得到目标物体的位姿，在该目标物体的位姿上方3cm处，为另一个位姿点，共两个位姿点；从当前UR3六轴工业机器人所在的起始位姿到目标物体的位姿，整条路径需要经过上述所述的两个位姿点，先到达目标物体的上方3cm处，再到达目标物体的位姿；通过笛卡尔空间规划算法，计算出带时间戳的整条运动轨迹，从而到达目标物体的位姿，拾取目标物体。

本发明的有益效果：

1、本发明首先基于关节空间进行六轴工业机器人的路径规划，可以实现人为设定的路径进行运动，而且运动的速度、加速度都可以进行控制。最重要的一点，十分安全，可以通过整条路径规划多次测试，得到一条既安全又高效的路径。

2、本发明又通过基于笛卡尔空间进行六轴工业机器人的路径规划，可以使工业机器人到达随意的目标位姿(在约束空间内)，能够使工业机器人拾取到不同位姿的不同目标物体。由于基于关节空间进行六轴工业机器人的路径规划到达了一个指定的起始位姿，使得基于笛卡尔空间进行六轴工业机器人的路径规划成功率极高。

3、本发明设计的方法，适用度高，能对大多数机器人都适用。所以对于开发人员而言，可以对不同的厂家的工业机器人进行路径规划控制。

附图说明

图1为本发明结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划的流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明使用的系统包括UR3六轴工业机器人(Universal Robots)、工业机器人控制器、夹爪、Kinect摄像头、PC机。此系统，搭载了Kinect摄像头，是为了识别目标物体，并给出目标物体的位姿，同时也可以识别出该环境中是否有障碍物，从而使六轴工业机器人能够避障进行路径规划。

如图1所示，一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法，步骤如下：

(1)六轴工业机器人建模

以UR3六轴工业机器人为研究对象，是6自由度串联工业机器人，通过编写URDF(Unified Robot Description Format)文件来描述机器人，建立UR3六轴工业机器人模型，并通过Rviz来显示模型；

(2)六轴工业机器人工作空间约束

(2.1)由于UR3六轴工业机器人的工作区域为0.5m、实验平台的大小以及实验平台周围的空间，建立了三种尺寸的长方体障碍物，长宽高分别为：(0.59m，0.1m，0.8m)、(0.1m，1.1m，0.8m)、(0.59m，1.1m，0.1m)，每种尺寸各两个长方体障碍物，共六个长方体障碍物，且位姿都不同，从而建立起一个封闭的工作空间；

(2.2)建立完封闭的工作空间后，通过Moveit！软件将其添加到UR3六轴工业机器人建模所在的世界坐标系中；

(3)六轴工业机器人关节空间路径规划

(3.1)将目标物体放置一些边缘的位置和较好的位置以及不同的姿态，通过笛卡尔路径规划，使工业机器人能从一个固定位姿到达目标物体这些所有位姿，从而得到固定位姿：(1.4677,-1.6973,1.3967,-1.3362,-1.6005,0.0000)，该固定位姿作为笛卡尔路径规划的起始位姿；

(3.2)从UR3六轴工业机器人运动的起始位姿到固定位姿，中间选取五个位姿点，每一个位姿点是六个轴的转角的整体表示。五个位姿点为：(1.5620,-1.6282,0.0662,-1.5788,0.0675,-0.0892)、(1.5620,-1.6282,0.0662,-1.3931,-0.5629,-0.0899)、(1.5620,-1.6282,0.0991,-1.2675,-0.9512,-0.0899)、(1.6186,-1.6570,0.4315,-1.3298,-1.6708,-0.0902)、(1.5050,-1.7902,1.1247,-1.4394,-1.5331,-0.0829)。选取的五个位姿点加上固定位姿点共六个位姿点，组成了整条运动路径；

(3.3)通过五次多项式来规划整条运动路径，计算出整条运动轨迹(带时间戳)，从而使UR3六轴工业机器人运动到一个固定的位姿，为接下来的笛卡尔空间路径规划做准备；

(4)六轴工业机器人笛卡尔空间路径规划

(4.1)用当前UR3六轴工业机器人所在的起始位姿，对存放笛卡尔空间路径规划需要经过的位姿点的对象进行初始化；

(4.2)通过ICP算法得到目标物体的位姿，在该位姿上方3cm处，也为一个位姿点，共两个位姿点。从当前UR3六轴工业机器人所在的起始位姿到目标位姿，整条路径需要经过上诉所说的两个位姿点，先到达目标物体的上方3cm处，在到目标物体的准确位姿；

(4.3)通过OMPL的运动规划算法，计算出整条运动轨迹(带时间戳)，从而到达目标位姿，拾取目标物体。

Claims (1)

1.一种结合关节和笛卡尔空间六轴工业机器人路径规划方法，其特征在于，步骤如下：

(1)六轴工业机器人建模

以UR3六轴工业机器人为研究对象，是6自由度串联工业机器人，建立UR3六轴工业机器人模型；

(2)六轴工业机器人工作空间约束

基于UR3六轴工业机器人的尺寸以及所处的工作环境，建立约束空间；通过添加六个不同位姿的长方体障碍物，建立封闭的工作空间；建立完封闭的工作空间后，将工作空间添加到UR3六轴工业机器人建模所在的世界坐标系中；

(3)六轴工业机器人关节空间路径规划

将目标物体放置到边缘适合位置以及设置不同的姿态，通过笛卡尔路径规划，使UR3六轴工业机器人从一个固定位姿到达目标物体对应的所有位姿，从而得到固定位姿，该固定位姿作为笛卡尔路径规划的起始位姿，确保笛卡尔路径规划到达所有的目标位姿；从UR3六轴工业机器人运动的起始位姿到固定位姿，中间选取五个位姿点，每一个位姿点是六个轴的转角的整体表示；选取的五个位姿点加上固定位姿点共六个位姿点，组成整条运动轨迹；通过关节空间规划算法，计算出带时间戳的整条运动轨迹，从而使UR3六轴工业机器人运动到固定位姿，为接下来的笛卡尔空间路径规划做准备；

(4)六轴工业机器人笛卡尔空间路径规划

关节空间路径规划过程，UR3六轴工业机器人运动到的固定位姿，即为当前UR3六轴工业机器人所在的起始位姿，对存放笛卡尔空间路径规划需要经过的位姿点的对象进行初始化；通过ICP算法得到目标物体的位姿，在该目标物体的位姿上方3cm处，为另一个位姿点，共两个位姿点；从当前UR3六轴工业机器人所在的起始位姿到目标物体的位姿，整条路径需要经过上述所述的两个位姿点，先到达目标物体的上方3cm处，再到达目标物体的位姿；通过笛卡尔空间规划算法，计算出带时间戳的整条运动轨迹，从而到达目标物体的位姿，拾取目标物体。