CN110328661B - 一种机器人单步运动的轨迹规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人单步运动的轨迹规划方法，在现有分段式轨迹规划的基础上，当机器人沿减速段运动时，在到达1/2最大速度前，提前计算下一段的轨迹，下一段的轨迹包括轨迹一和轨迹二；判断轨迹一是否会超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹一运动；若是，则进一步判断轨迹二是否超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹二运动；若是，则在到达1/2最大速度时继续沿当前减速段运动直至停止。与现有技术相比，本发明通过减速步骤可以规避大多数的超限情况，有效提高机器人的运动效率，使其能够在具有高安全性的同时能够完成到达目标点的最终目的。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种机器人单步运动的轨迹规划方法。
背景技术
轨迹规划是机器人和自动化不可或缺的一种技术，规划方法的好坏对机器设备的运动动作的柔顺性，动作的效率，甚至对设备的使用寿命都有比较直接的影响。一个不好的轨迹规划容易让设备的动作僵硬，晃动，甚至严重抖动；一个好的轨迹规划则会考虑设备本身的机械性能特性和动力源动力输出特性。
工业机器人由多个关节以串联或者并联的方式组成，所有关节的运动组合成了机器人末端的运动。机器人末端的运动空间称为机器人的工作空间，属于笛卡尔坐标系，其与关节运动的关节空间不能一一对应。因此，机器人在工作空间按照设置的末端目标值运动时，极有可能出现关节的位置，速度或加速度超限的情况。所以，在出现关节超限的状况时，如何控制机器人使其能够以一种安全且最优的方式到达设定的目标位置，是控制工业机器人运动需要重点考虑的一个问题。
如CN108333968A中国发明公开了一种机器人单步运动的轨迹规划方法，通过拼接式的轨迹规划方法，提前计算下一段运动轨迹是否安全；如果判断下一段运动轨迹会出现超限情况时，便在当前阶段结束后直接控制机器人停止，具有很高的安全性，但是仍然存在以下问题：在预测到超限情况时会将机器人直接停止，虽然保证了安全，但是机器人无法到达设定的目标点，也即没有实现控制机器人到达设置目标点的根本目的；或者在机器人停止后重新启动规划路线，导致了运动效率降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机器人单步运动的轨迹规划方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种机器人单步运动的轨迹规划方法，具体包括以下步骤：
S1、输入运动位移、最大速度、最大加速度，计算运动整个单步运动所需的时间；
S2、根据分段规则将整个单步运动轨迹分为若干段，计算每一段的实际运动位移、速度和加速度，确定正常运动时每一段轨迹的形状；
S3、输出第一段轨迹；
S4、机器人沿着第一段轨迹运动，至第一段减速段起始点前，计算第二段轨迹；
S5、机器人沿着第二段轨迹运动；
S6、在不出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹；
当计算下一段轨迹的结果显示下一段轨迹会出现超限情况时，则会沿着当前段的减速段运动，具体包括如下步骤：
A1、沿减速段运动时，在到达1/2最大速度前，提前计算下一段的轨迹，下一段的轨迹包括轨迹一和轨迹二，轨迹一为重新加速到最大速度运动，轨迹二是以1/2最大速度运动；
A2、判断轨迹一是否会超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹一运动；若是，则进一步判断轨迹二是否超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹二运动；若是，则在到达1/2最大速度时继续沿当前减速段运动直至停止；
在按照轨迹二运动时，在该段减速段起始点前，提前计算下一段的轨迹，在不会出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹。
进一步地，所述的步骤A2后续还包括：
A3、在从1/2最大速度减速到1/4最大速度的运动过程中，提前计算下一段的轨迹，此时下一段的轨迹包括轨迹三和轨迹四，轨迹三为重新加速到1/2最大速度运动，轨迹四为以1/4最大速度运动；
A4、判断轨迹三是否会超限，若否，则在到达1/4最大速度时按照轨迹三运动；若是，则进一步判断轨迹四是否超限，若否，则在到达1/4最大速度时按照轨迹四运动；若是，则在到达1/4最大速度时继续沿当前减速段运动直至停止；
在按照轨迹四运动时，在该段减速段起始点前，提前计算下一段的轨迹，在不会出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹。
进一步地，每段运动轨迹均包括减速段，减速段能够确保机器人在当前段运行时不会出现超限情况。
进一步地，在时间和速度坐标系中，用于拼接的减速段是类S型曲线，无加速度恒定的部分。
进一步地，每段运动轨迹都包括至少一个拼接点，第一个拼接点位于减速段开始的位置，其余拼接点是减速段包含的多个子减速段的连接点，若计算出的下一段轨迹未超限，则会在第一个拼接点处连接；否则机器人沿减速段运行，并计算相应的下一段轨迹是否超限，在减速段的连接点处进行连接。
进一步地，对计算出的轨迹是否超限进行判断依据是笛卡尔空间的工作空间限制，各关节轴的正负限位、最大速度或最大加速度限制的其中一种。
进一步地，所述分段规则是时间等分、距离等分或固定周期的其中一种。
进一步地，如果计算出的轨迹段是安全的，则正常输出，输出的轨迹都是安全的。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明对机器人单步运动的轨迹分段并提前计算运动轨迹，当发现下一段轨迹会出现超限情况时，则会沿当前轨迹段的减速段运行一段时间，在此过程重新计算下一段的运动轨迹，如果下一段轨迹安全则沿新计算出的轨迹进行运动，通过本发明的减速步骤可以规避大多数的超限情况，有效提高机器人的运动效率，使其能够在具有高安全性的同时能够完成到达目标点的最终目的。
附图说明
图1是安全情况下轨迹规划示意图。
图2是安全情况下以速度表示的轨迹分段拼接示意图。
图3是超限情况下以速度表示的轨迹分段拼接示意图。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供了一种机器人单步运动的轨迹规划方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、输入运动位移、最大速度、最大加速度，计算运动整个单步运动所需的时间；
步骤S2、根据分段规则将整个单步运动轨迹分为若干段，计算每一段的实际运动位移、速度和加速度，确定正常运动时每一段轨迹的形状；
步骤S3、输出第一段轨迹；
步骤S4、机器人沿着第一段轨迹运动，至第一段减速段起始点前，计算第二段轨迹；
步骤S5、机器人沿着第二段轨迹运动；
步骤S6、在不出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹。
当计算下一段轨迹的结果显示下一段轨迹会出现超限情况时，则会沿着当前段的减速段运动，具体包括如下步骤：
步骤A1、沿减速段运动时，在到达1/2最大速度前，提前计算下一段的轨迹，下一段的轨迹包括轨迹一和轨迹二，轨迹一为重新加速到最大速度运动，轨迹二是以1/2最大速度运动。
步骤A2、判断轨迹一是否会超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹一运动；若是，则进一步判断轨迹二是否超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹二运动；若是，则在到达1/2最大速度时继续沿当前减速段运动直至停止。
在按照轨迹二运动时，在该段减速段起始点前，提前计算下一段的轨迹，在不会出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹。
为了进一步提升减速的效果，步骤A2后续还包括：
步骤A3、在从1/2最大速度减速到1/4最大速度的运动过程中，提前计算下一段的轨迹，此时下一段的轨迹包括轨迹三和轨迹四，轨迹三为重新加速到1/2最大速度运动，轨迹四为以1/4最大速度运动。
步骤A4、判断轨迹三是否会超限，若否，则在到达1/4最大速度时按照轨迹三运动；若是，则进一步判断轨迹四是否超限，若否，则在到达1/4最大速度时按照轨迹四运动；若是，则在到达1/4最大速度时继续沿当前减速段运动直至停止；
在按照轨迹四运动时，在该段减速段起始点前，提前计算下一段的轨迹，在不会出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹。
每段运动轨迹均包括减速段，减速段能够确保机器人在当前段运行时不会出现超限情况，减速段的形式有三种，分别为A型减速段，B型减速段，C型减速段：
A型减速段由三个减速段拼接而成，三个减速段分别是从最大速度减速到1/2最大速度，从1/2最大速度减速到1/4最大速度和从1/4最大速度减速到0的减速段；
B型减速段由两个减速段拼接而成，两个个减速段分别是从1/2最大速度减速到1/4最大速度和从1/4最大速度减速到0的减速段；
C型减速段只有一个从1/4最大速度减速到0的减速段。
在时间和速度坐标系中，用于拼接的减速段是类S型曲线，无加速度恒定的部分。
作为本实施例的进一步改进，每段运动轨迹都包括至少一个拼接点，第一个拼接点位于减速段开始的位置，其余拼接点是减速段包含的多个子减速段的连接点，若计算出的下一段轨迹未超限，则会在第一个拼接点处连接；否则机器人沿减速段运行，并计算相应的下一段轨迹是否超限，在减速段的连接点处进行连接。分割后的轨迹段，在上一段轨迹走到拼接点之前，下一段轨迹必须提前计算。
对计算出的轨迹是否超限进行判断依据是笛卡尔空间的工作空间限制，各关节轴的正负限位、最大速度或最大加速度限制的其中一种；分段规则是时间等分、距离等分或固定周期的其中一种；如果计算出的轨迹段是安全的，则正常输出，输出的轨迹都是安全的。
图1为类似于S型轨迹规划的位移、速度、加速度曲线，和S型轨迹不同的是减速过程，本方案采取了多段减速的方案，目的是如果机器人在运行阶段出现超限危险时，可在多段减速的过程中，重新规划运行轨迹，以期在没有安全问题的前提下，到达设定的目标点。
图2具体描述了本实施例轨迹分段拼接的实施过程，该图是用速度曲线表示的。采用时间等分方法将运动轨迹分段。首先输出第一段，如图2中第二栏所示，该段包括加速、匀速、减速段，同时拼接点位置必须计算输出。
机器人沿着第1段轨迹运动，到达拼接点前，计算第2段轨迹。从第2段开始后面的每一段一般包括匀速段和减速段，如图2中第三栏所示，同时计算出第2段的拼接点位置。此外，会对提前计算出的轨迹进行安全检查，判断是否出现超限情况。
如果未出现超限情况，则将第2段轨迹连接到第1段的拼接点上，第1段减速段丢弃。后面的轨迹同理。按照此种拼接方法，机器人一直运动，走完n段轨迹，到达设定的目标位置。
图3为机器人在单步运动中出现超限危险的情况。
机器人在第3段运行时，计算第4段轨迹，判断出第4段会出现超限的危险。于是，机器人会沿着第3段的减速段运行，在沿第一小段减速段运行时(到达第一减速段和第二减速段的拼接点之前)，计算下一段轨迹。
下一段轨迹分两种情况，第一种包括加速段和减速段，即期望机器人重新加速到最大速度；第二种包括匀速段和减速段，即让机器人以1/2最大速度匀速运行。
实际应用时，首先对第一种轨迹进行安全检查，如果其不超限，则将之连接到第一减速段和第二减速段的拼接点上，原轨迹拼接点之后的减速段丢弃。如果第一种轨迹超限，则对第二种轨迹进行安全检查，如果其不超限，则将之连接到第一减速段和第二减速段的拼接点上，原轨迹拼接点之后的减速段丢弃。
如果两种轨迹都超限，则机器人继续沿当前减速段的第二减速段运行。在沿第二减速段运行时(到达第二减速段和第三减速段的拼接点之前)，计算下一段轨迹。和上述情况相似，下一段轨迹也包括两种情况，第一种包括加速段和减速段，让机器人加速到1/2最大速度；第二种包括匀速段和减速段，即让机器人以1/4最大速度匀速运行。
实际应用时，首先对第一种轨迹进行安全检查，如果其不超限，则将之连接到第二减速段和第三减速段的拼接点上，原轨迹拼接点之后的减速段丢弃。在沿新的轨迹加速段运行时，提前计算下一轨迹段，下一段轨迹的情况和和位于第一减速段计算的下一段轨迹完全相同，不再赘述。
如果第一种轨迹超限，则对第二种轨迹进行安全检查，如果其不超限，则将之连接到第二减速段和第三减速段的拼接点上，原轨迹拼接点之后的减速段丢弃。在沿新的轨迹的匀速段运行时，提前计算下一段轨迹，下一段轨迹的情况和和位于第二减速段计算的下一段轨迹完全相同，不再赘述。
如果两种轨迹都超限，则机器人继续沿第三减速段运行直至停止。
从图中可以看出，在出现超限情况后，机器人存在以最大速度，1/2或者1/4的最大速度匀速运行，最终减速到目标位置的可能。
本发明提供的机器人运动轨迹规划方法，与现有技术中的轨迹规划方法相比，最大的创新点在于在提前预判出原有运行轨迹会出现超限危险时，可及时调整运动轨迹，在保证安全的情况下，使得机器人尽可能运动到设定的目标点，具有极高的安全性和高效性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种机器人单步运动的轨迹规划方法，具体包括以下步骤：
S1、输入运动位移、最大速度、最大加速度，计算运动整个单步运动所需的时间；
S2、根据分段规则将整个单步运动轨迹分为若干段，计算每一段的实际运动位移、速度和加速度，确定正常运动时每一段轨迹的形状；
S3、输出第一段轨迹；
S4、机器人沿着第一段轨迹运动，至第一段减速段起始点前，计算第二段轨迹；
S5、机器人沿着第二段轨迹运动；
S6、在不出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹；
其特征在于；
当计算下一段轨迹的结果显示下一段轨迹会出现超限情况时，则会沿着当前段的减速段运动，具体包括如下步骤：
A1、沿减速段运动时，在到达1/2最大速度前，提前计算下一段的轨迹，下一段的轨迹包括轨迹一和轨迹二，轨迹一为重新加速到最大速度运动，轨迹二是以1/2最大速度运动；
A2、判断轨迹一是否会超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹一运动；若是，则进一步判断轨迹二是否超限，若否，则在到达1/2最大速度时按照轨迹二运动；若是，则在到达1/2最大速度时继续沿当前减速段运动直至停止；
在按照轨迹二运动时，在该段减速段起始点前，提前计算下一段的轨迹，在不会出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种机器人单步运动的轨迹规划方法，其特征在于，所述的步骤A2后续还包括：
A3、在从1/2最大速度减速到1/4最大速度的运动过程中，提前计算下一段的轨迹，此时下一段的轨迹包括轨迹三和轨迹四，轨迹三为重新加速到1/2最大速度运动，轨迹四为以1/4最大速度运动；
A4、判断轨迹三是否会超限，若否，则在到达1/4最大速度时按照轨迹三运动；若是，则进一步判断轨迹四是否超限，若否，则在到达1/4最大速度时按照轨迹四运动；若是，则在到达1/4最大速度时继续沿当前减速段运动直至停止；
在按照轨迹四运动时，在该段减速段起始点前，提前计算下一段的轨迹，在不会出现超限的情况下，各段轨迹依次拼接，机器人走完整个轨迹。
3.根据权利要求2所述的机器人单步运动的轨迹规划方法，其特征在于，每段运动轨迹均包括减速段，减速段能够确保机器人在当前段运行时不会出现超限情况。
4.根据权利要求1或2所述的机器人单步运动的轨迹规划方法，其特征在于，在时间和速度坐标系中，用于拼接的减速段是类S型曲线，无加速度恒定的部分。
5.根据权利要求1或2所述的机器人单步运动的轨迹规划方法，其特征在于，每段运动轨迹都包括至少一个拼接点，第一个拼接点位于减速段开始的位置，其余拼接点是减速段包含的多个子减速段的连接点，若计算出的下一段轨迹未超限，则会在第一个拼接点处连接；否则机器人沿减速段运行，并计算相应的下一段轨迹是否超限，在减速段的连接点处进行连接。
6.根据权利要求1或2所述的机器人单步运动的轨迹规划方法，其特征在于，对计算出的轨迹是否超限进行判断依据是笛卡尔空间的工作空间限制，各关节轴的正负限位、最大速度或最大加速度限制的其中一种。
7.根据权利要求1所述的机器人单步运动的轨迹规划方法，其特征在于，所述分段规则是时间等分、距离等分或固定周期的其中一种。
8.根据权利要求1所述的机器人单步运动的轨迹规划方法，其特征在于，如果计算出的轨迹段是安全的，则正常输出，输出的轨迹都是安全的。
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