CN110450160B - 一种开放式免编程机器人的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式免编程机器人的控制方法，其特征是应用于由计算机、运动控制器、机器人所构成的操作环境中，并按如下步骤进行：步骤一，建立并绘制机器人运动轨迹曲线；步骤二，设定位置点阈值α，对运动轨迹进行粗加工；步骤三，构建链表，存储每一个位置点的信息；步骤四,对运动轨迹进行精加工，实现速度前瞻；步骤五，下发数据给机器人执行；步骤六,通过不断的修改所述阈值α，使得步骤一中所绘制的机器人运动轨迹曲线与步骤五中机器人执行的运动轨迹曲线之间的误差达到精度要求。本发明能降低机器人的操作难度，优化机器人执行速度与轨迹误差，从而提高控制的稳定性与快速性。

Description

一种开放式免编程机器人的控制方法

技术领域

本发明属于工业机器人的运动控制领域，具体的说是一种开放式免编程机器人的控制方法。

背景技术

工业机器人是提高生产力和制造水平重要的一环，传统运动控制系统的封闭性满足不了现代越来越多的工厂的需求，而开放式的运动控制系统将PLC与运动控制相结合，不仅仅能实现柔性控制，还提高了生产效率。

传统工业机器人的运动模式是通过在示教器上进行编程，机器人执行相对应的指令，不同厂商机器人的编程方式不同，导致了机器人的使用者在使用新种类的机器人时，首先需要熟悉这种机器人的编程环境与编程语言。同时，传统工业机器人的控制主要采用的是直线与圆弧算法的组合，满足不了一些复杂的运动需求。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种开放式免编程机器人的控制方法，以期能降低机器人的操作难度，优化机器人执行速度与轨迹误差，从而提高控制的稳定性与快速性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种开放式免编程机器人的控制方法的特点是应用于由计算机、运动控制器、机器人所构成的操作环境中，并按如下步骤进行：

步骤A、根据计算机内部的定时器设置采样周期，并在所述计算机上绘制所述机器人的运动轨迹曲线的同时，根据所述采样周期获取所述运动轨迹曲线的位置坐标点集合P＝{P₁,P₂,…,P_i,…,P_m}，其中，P_i表示第i个位置点坐标，i＝1,2,…,m；m表示所采样的位置坐标点总数；

将所述位置坐标点集合P中各个位置坐标点的横坐标记为横坐标集合P_x＝{P_x,1,P_x,2,…,P_x,i,…,P_x,m}，其中，P_x,i表示第i个位置点坐标的横坐标；

将所述位置坐标点集合P中各个位置坐标点的纵坐标记为纵坐标集合P_y＝{P_y,1,P_y,2,…,P_y,i,…,P_y,m}，其中P_y,i表示第i个位置点坐标的纵坐标；

步骤B、设定阈值α，利用式(1)得到插入所述第i个位置点坐标P_i和第i+1个位置点坐标P_i+1之间的位置点数量Q_i,i+1，从而得到插入所述位置坐标点集合P中各个相邻两个位置点坐标之间的位置点数量集合；

步骤C、按照所述阈值α，对所述第i个位置点坐标P_i和第i+1个位置点坐标P_i+1之间的Q_i,i+1个位置点数量进行均匀分布，从而对所述位置坐标点集合P中各个相邻两个位置点坐标间的位置点进行均匀分布，进而得到粗加工后的位置坐标点集合P′＝{P′₁,P′₂,…,P′_j,…,P′_n}，其中，P′_j表示粗加工后的第j个位置点坐标，j＝1,2,…,n，n表示粗加工后的位置坐标点总数；

步骤D、根据所述粗加工后的位置坐标点集合P′，构建一个双向链表，且所述双向链表内的节点为所述粗加工后的位置坐标点集合P′中各个位置坐标点；

记任意第j个节点的数据域是由第j个节点和第j+1个节点之间的线段长度L_j、第j-1个节点和第j个节点间的线段以及第j个节点和第j+1个节点间的线段之间的方向夹角A_j组成；当j＝1时，令A_j＝0；

步骤E、初始化j＝2；

步骤F、根据所述双向链表内的节点，利用速度前瞻控制算法对第j个节点数据域中的方向夹角A_j进行运动轨迹精加工，得到精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j；

步骤G、将j+1赋值给j，判断j＞n-1是否成立，若成立，则表示得到精加工后的位置坐标点总集合P″，否则，返回步骤F执行；

将所述精加工后的位置坐标点总集合P″中各个位置坐标点的横坐标记为精加工后的横坐标集合P″_x＝{P″_x,1,P″_x,2,…,P″_x,k,…,P″_x,s}，其中，P″_x,k表示精加工后的第k个位置点坐标的横坐标；

将所述精加工后的位置坐标点总集合P″中各个位置坐标点的纵坐标记为精加工后的纵坐标集合P″_y＝{P″_y,1,P″_y,2,…,P″_y,k,…,P″_y,s}，其中P″_y,k表示精加工后的第k个位置点坐标的纵坐标；

步骤H、将精加工后的横坐标集合P″_x和纵坐标集合P″_y下发至所述运动控制器，由所述运动控制器来控制机器人执行相应的运动轨迹曲线；

步骤I、通过不断的修改所述阈值α，使得步骤A中所绘制的运动轨迹曲线与步骤H中机器人执行的运动轨迹曲线之间的误差达到精度要求。

本发明所述的开放式免编程机器人的控制方法的特点是：所述步骤F中的速度前瞻控制算法为：

若A_j属于区间[0,pi/6]，则不在第j个节点与第j+1个节点之间插入变速节点，表示机器人不减速；

若A_j属于区间(pi/6,pi/2]，则在第j-1个节点与第j个节点之间按照设定的比例倍数h插入f个减速节点，在第j个节点与第j+1个节点之间按照设定的比例倍数h插入f个加速节点，表示机器人减速后升速；

若A_j属于区间(pi/2,pi]，则在第j-1个节点与第j个节点之间按照设定的比例倍数h插入f′个减速节点，其中，f′大于f，且第j个节点为停速节点，并在停速节点处再获取一次第j个位置点坐标P′_j，从而在第j个节点与第j+1个节点之间按照设定的比例倍数h插入f′个加速节点，表示机器人减速至停止后再加速，h∈(1,2)。

在第j-1个节点与第j个节点之间的线段上按照式(2)获取所述精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j中的前f个位置点坐标，并作为所插入的f个减速节点，所述f个减速节点将第j-1节点与第j个节点之间的线段按各自的比例系数分成f+1份：

h^fq+h^f-1q+...+h^f-eq+...+h⁰q＝α (2)

式(2)中，h^f-e表示第e个减速节点与第e+1个减速节点之间的比例系数，其中，当e＝0时，第e个减速节点为第j-1个节点，当e＝f时，第e+1个减速节点为第j个节点；q表示单位距离；h^f-eq表示第e个减速节点与第e+1个减速节点之间的距离；

在第j个节点与第j+1个节点之间的线段上按照式(3)获取所述精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j中的后f个位置点坐标，并作为所插入的f个加速节点：

h⁰q+h¹q...+h^eq+...+h^fq＝α (3)

式(3)中，h^e表示第e个加速节点与第e+1个加速节点之间的比例系数，其中，当e＝0时，第e个加速节点为第j个节点，当e＝f时，第e+1个加速节点为第j+1个节点；h^eq表示第e个加速节点与第e+1个加速节点之间的距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明采用计算机、运动控制器、机器人所构成的操作环境，在人机界面上通过图形化的方式获取机器人执行轨迹曲线，并能通过对所绘制的曲线进行微观分解，得到机器人运动的位置关键点，使机器人会按照绘制的运动轨迹曲线运动，还可以针对机器人的运动路径进行速度前瞻控制，实现了面向平面曲线直接对机器人的控制，整个过程无需一步再一步的编程，操作者也不再需要对工艺流程、各类编程语言、示教器的使用方法有着教深的了解，免编程示教的方法大大地降低了机器人的操作难度，节省了很多的劳力和时间，是一种更为高效的机器人控制方法。

2、本发明通过对在上位平台上绘制的机器人运动轨迹曲线进行粗加工、利用速度前瞻控制算法实现了精加工，并通过在线修改轨迹内部设定的阈值来在满足机器人运动精度的要求上加快机器人的执行动作，使得机器人既能够进行一些复杂的运动，也能通过自我诊断对机器人执行速度与轨迹误差进行优化。提高了控制的稳定性与快速性。

附图说明

图1为本发明控制系统的硬件结构图；

图2为本发明免编程机器人操作方法流程图。

具体实施方式

本实施例中，参照图1，一种开放式免编程机器人的控制方法是应用于由计算机、运动控制器、机器人所构成的操作环境中，其架构包括基于ARM-Cortex A9架构的双核处理器1、伺服驱动器2、伺服电机3以及PC机4。其中ARM-Cortex A9 1作为整个控制系统的主站与伺服驱动器2通过ETherCAT通讯。伺服驱动器2给伺服电机3供电并接收伺服电机3编码器的反馈信号。PC机4与ARM-Cortex A9 1通过以太网实现数据交换。

ARM-Cortex A9 1内核主频高达1GHZ，是运动控制系统的控制单元，负责接收与发送上位机的数据指令进行复杂的运动学计算；

伺服驱动器2负责接收运动控制器的指令，通过闭环控制，准确及时的控制电机进行运动；

伺服电机3负责伺服驱动器的指令执行以及通过编码器将运行状态反馈；

PC机4作为上位平台与ARM-Cortex A9 1通过以太网相连；

参照图2，本实施例中，该控制方法是按如下步骤进行：

步骤A、根据计算机内部的定时器设置采样周期，在计算机的MATLAB上位平台内建立GUI界面，将GUI的绘制范围设置为1000*1000，并在界面内绘制机器人的运动轨迹曲线的同时，根据采样周期获取运动轨迹曲线的位置坐标点集合P＝{P₁,P₂,…,P_i,…,P_m}，其中，P_i表示第i个位置点坐标，i＝1,2,…,m；m表示所采样的位置坐标点总数；

将位置坐标点集合P中各个位置坐标点的横坐标记为横坐标集合P_x＝{P_x,1,P_x,2,…,P_x,i,…,P_x,m}，其中，P_x,i表示第i个位置点坐标的横坐标；

将位置坐标点集合P中各个位置坐标点的纵坐标记为纵坐标集合P_y＝{P_y,1,P_y,2,…,P_y,i,…,P_y,m}，其中P_y,i表示第i个位置点坐标的纵坐标；

步骤B、设定阈值α，利用式(1)得到插入第i个位置点坐标P_i和第i+1个位置点坐标P_i+1之间的位置点数量Q_i,i+1，从而得到插入位置坐标点集合P中各个相邻两个位置点坐标之间的位置点数量集合；

步骤C、按照阈值α，对第i个位置点坐标P_i和第i+1个位置点坐标P_i+1之间的Q_i,i+1个位置点数量进行均匀分布，再通过linspace函数对位置坐标点集合P中各个相邻两个位置点坐标间的位置点进行均匀分布，进而得到粗加工后的位置坐标点集合P′＝{P′₁,P′₂,…,P′_j,…,P′_n}，其中，P′_j表示粗加工后的第j个位置点坐标，j＝1,2,…,n，n表示粗加工后的位置坐标点总数；

步骤D、根据粗加工后的位置坐标点集合P′，构建一个双向链表，且双向链表内的节点为粗加工后的位置坐标点集合P′中各个位置坐标点；

记任意第j个节点的数据域是由第j个节点和第j+1个节点之间的线段长度L_j、第j-1个节点和第j个节点间的线段以及第j个节点和第j+1个节点间的线段之间的方向夹角A_j组成；当j＝1时，令A_j＝0；

步骤E、初始化j＝2；

步骤F、根据双向链表内的节点，利用速度前瞻控制算法对第j个节点数据域中的方向夹角A_j进行运动轨迹精加工，得到精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j；

其中，在本实施例中，速度前瞻控制算法过程如下：

若A_j属于区间[0,pi/6]，则不在第j个节点与第j+1个节点之间插入变速节点，表示机器人不减速；

若A_j属于区间(pi/6,pi/2]，则在第j-1个节点与第j个节点之间按照设定的比例倍数h插入2个减速节点，在第j个节点与第j+1个节点之间按照设定的比例倍数h插入2个加速节点，表示机器人减速后升速；

若A_j属于区间(pi/2,pi]，则在第j-1个节点与第j个节点之间按照设定的比例倍数h插入3个减速节点，且第j个节点为停速节点，并在停速节点处再获取一次第j个位置点坐标P′_j，从而在第j个节点与第j+1个节点之间按照设定的比例倍数h插入3个加速节点，表示机器人减速至停止后再加速，h∈(1,2)。

其中，速度前瞻控制算法的减速过程如下：

在第j-1个节点与第j个节点之间的线段上按照式(2)获取精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j中的前3个位置点坐标，并作为所插入的3个减速节点，3个减速节点将第j-1节点与第j个节点之间的线段按各自的比例系数分成4份：

h³q+h²q+h¹q+h⁰q＝α (2)

式(2)中，h³表示第j-1个节点与第1个减速节点的比例系数，h²表示第1个减速节点与第2个减速节点的比例系数，h¹表示第2个减速节点与第3个减速节点的比例系数，h⁰表示第3个减速节点与第j个节点的比例系数；h³q表示第j-1个节点与第1个减速节点的距离，h²q表示第1个减速节点与第2个减速节点的距离，h¹q表示第2个减速节点与第3个减速节点的距离，q表示第3个减速节点与第j个节点的距离，同时也表示单位距离；

速度前瞻控制算法的加速过程如下：

在第j个节点与第j+1个节点之间的线段上按照式(3)获取精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j中的后3个位置点坐标，并作为所插入的3个加速节点：

h⁰q+h¹q+h²q+h³q＝α (3)

式(3)中，h⁰表示第j个节点与第1个加速节点的比例系数，h¹表示第1个加速节点与第2个加速节点的比例系数，h²表示第2个加速节点与第3个加速节点的比例系数，h³表示第3个加速节点与第j+1个节点的比例系数；q表示第j个节点与第1个加速节点的距离，同时也表示单位距离，h¹q表示第1个加速节点与第2个加速节点的距离，h²q表示第2个加速节点与第3个加速节点的距离，h³q表示第3个加速节点与第j+1个节点的距离；

步骤G、将j+1赋值给j，判断j＞n-1是否成立，若成立，则表示得到精加工后的位置坐标点总集合P″，否则，返回步骤F执行；

将精加工后的位置坐标点总集合P″中各个位置坐标点的横坐标记为精加工后的横坐标集合P″_x＝{P″_x,1,P″_x,2,…,P″_x,k,…,P″_x,s}，其中，P″_x,k表示精加工后的第k个位置点坐标的横坐标；

将精加工后的位置坐标点总集合P″中各个位置坐标点的纵坐标记为精加工后的纵坐标集合P″_y＝{P″_y,1,P″_y,2,…,P″_y,k,…,P″_y,s}，其中P″_y,k表示精加工后的第k个位置点坐标的纵坐标；

步骤H、将精加工后的横坐标集合P″_x和纵坐标集合P″_y下发至运动控制器。由于数据量过多，可以每0.1秒传输100个数据并保存。通常情况下5秒内可以将数据传送完毕。由运动控制器来控制机器人执行相应的运动轨迹曲线；

步骤I、通过不断的修改阈值α，使得步骤A中所绘制的运动轨迹曲线与步骤H中机器人执行的运动轨迹曲线之间的误差达到精度要求。如果需要提高机器人运动轨迹的精度可以降低α，如果需要加快机器人运动速度可以增加α。

Claims (3)

1.一种开放式免编程机器人的控制方法，是应用于由计算机、运动控制器、机器人所构成的操作环境中，其特征是，按如下步骤进行：

步骤A、根据计算机内部的定时器设置采样周期，并在所述计算机上绘制所述机器人的运动轨迹曲线的同时，根据所述采样周期获取所述运动轨迹曲线的位置坐标点集合P＝{P₁,P₂,…,P_i,…,P_m}，其中，P_i表示第i个位置点坐标，i＝1,2,…,m；m表示所采样的位置坐标点总数；

将所述位置坐标点集合P中各个位置坐标点的横坐标记为横坐标集合P_x＝{P_x,1,P_x,2,…,P_x,i,…,P_x,m}，其中，P_x,i表示第i个位置点坐标的横坐标；

将所述位置坐标点集合P中各个位置坐标点的纵坐标记为纵坐标集合P_y＝{P_y,1,P_y,2,…,P_y,i,…,P_y,m}，其中P_y,i表示第i个位置点坐标的纵坐标；

步骤B、设定阈值α，利用式(1)得到插入所述第i个位置点坐标P_i和第i+1个位置点坐标P_i+1之间的位置点数量Q_i,i+1，从而得到插入所述位置坐标点集合P中各个相邻两个位置点坐标之间的位置点数量集合；

步骤C、按照所述阈值α，对所述第i个位置点坐标P_i和第i+1个位置点坐标P_i+1之间的Q_i,i+1个位置点数量进行均匀分布，从而对所述位置坐标点集合P中各个相邻两个位置点坐标间的位置点进行均匀分布，进而得到粗加工后的位置坐标点集合P′＝{P′₁,P′₂,…,P′_j,…,P′_n}，其中，P′_j表示粗加工后的第j个位置点坐标，j＝1,2,…,n，n表示粗加工后的位置坐标点总数；

步骤D、根据所述粗加工后的位置坐标点集合P′，构建一个双向链表，且所述双向链表内的节点为所述粗加工后的位置坐标点集合P′中各个位置坐标点；

记任意第j个节点的数据域是由第j个节点和第j+1个节点之间的线段长度L_j、第j-1个节点和第j个节点间的线段以及第j个节点和第j+1个节点间的线段之间的方向夹角A_j组成；当j＝1时，令A_j＝0；

步骤E、初始化j＝2；

步骤F、根据所述双向链表内的节点，利用速度前瞻控制算法对第j个节点数据域中的方向夹角A_j进行运动轨迹精加工，得到精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j；

步骤G、将j+1赋值给j，判断j＞n-1是否成立，若成立，则表示得到精加工后的位置坐标点总集合P″，否则，返回步骤F执行；

将所述精加工后的位置坐标点总集合P″中各个位置坐标点的横坐标记为精加工后的横坐标集合P″_x＝{P″_x,1,P″_x,2,…,P″_x,k,…,P″_x,s}，其中，P″_x,k表示精加工后的第k个位置点坐标的横坐标；

将所述精加工后的位置坐标点总集合P″中各个位置坐标点的纵坐标记为精加工后的纵坐标集合P″_y＝{P″′_y,1,P″_y,2,…,P″_y,k,…,P″_y,s}，其中P″_y,k表示精加工后的第k个位置点坐标的纵坐标；

步骤H、将精加工后的横坐标集合P″_x和纵坐标集合P″_y下发至所述运动控制器，由所述运动控制器来控制机器人执行相应的运动轨迹曲线；

步骤I、通过不断的修改所述阈值α，使得步骤A中所绘制的运动轨迹曲线与步骤H中机器人执行的运动轨迹曲线之间的误差达到精度要求。

2.根据权利要求1所述的开放式免编程机器人的控制方法，其特征是：所述步骤F中的速度前瞻控制算法为：

若A_j属于区间[0,pi/6]，则不在第j个节点与第j+1个节点之间插入变速节点，表示机器人不减速；

若A_j属于区间(pi/6,pi/2]，则在第j-1个节点与第j个节点之间按照设定的比例倍数h插入f个减速节点，在第j个节点与第j+1个节点之间按照设定的比例倍数h插入f个加速节点，表示机器人减速后升速；

若A_j属于区间(pi/2,pi]，则在第j-1个节点与第j个节点之间按照设定的比例倍数h插入f′个减速节点，其中，f′大于f，且第j个节点为停速节点，并在停速节点处再获取一次第j个位置点坐标P′_j，从而在第j个节点与第j+1个节点之间按照设定的比例倍数h插入f′个加速节点，表示机器人减速至停止后再加速，h∈(1,2)。

3.根据权利要求2所述的开放式免编程机器人的控制方法，其特征是：

在第j-1个节点与第j个节点之间的线段上按照式(2)获取所述精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j中的前f个位置点坐标，并作为所插入的f个减速节点，所述f个减速节点将第j-1节点与第j个节点之间的线段按各自的比例系数分成f+1份：

h^fq+h^f-1q+...+h^f-eq+...+h⁰q＝α (2)

式(2)中，h^f-e表示第e个减速节点与第e+1个减速节点之间的比例系数，其中，当e＝0时，第e个减速节点为第j-1个节点，当e＝f时，第e+1个减速节点为第j个节点；q表示单位距离；h^f-eq表示第e个减速节点与第e+1个减速节点之间的距离；

在第j个节点与第j+1个节点之间的线段上按照式(3)获取所述精加工后的第j个节点的位置坐标点集合P″_j中的后f个位置点坐标，并作为所插入的f个加速节点：

h⁰q+h¹q...+h^eq+...+h^fq＝α (3)

式(3)中，h^e表示第e个加速节点与第e+1个加速节点之间的比例系数，其中，当e＝0时，第e个加速节点为第j个节点，当e＝f时，第e+1个加速节点为第j+1个节点；h^eq表示第e个加速节点与第e+1个加速节点之间的距离。

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