CN111195908B

CN111195908B - 轨道生成装置

Info

Publication number: CN111195908B
Application number: CN201911117609.6A
Authority: CN
Inventors: 渡边裕太; 村濑和都; 寺田耕志
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2023-01-03
Anticipated expiration: 2039-11-15
Also published as: CN111195908A; JP2020082219A; JP7067435B2; US11493928B2; US20200159235A1

Abstract

本发明提供一种轨道生成装置，使机器人的动作部位顺畅地移动。实施方式的轨道生成装置(60)具备能够进行机器人(1)的动作部位(20)的位置轨道的生成的运算部(65)，其中，运算部(65)还能够进行动作部位(20)的速度轨道的生成，并且在切换时的规定时间之前预测切换时的动作部位(20)的位置，并生成从预测出的位置起的位置轨道，所述切换时是将使动作部位(20)移动的轨道从速度轨道向位置轨道切换之时。另外，在预测位置与动作部位(20)在切换时(TC)到达的到达位置之间出现了偏差的情况下，运算部(65)对到达位置与生成了的位置轨道上的与预测位置相距规定的距离的连接点之间的轨道进行插补。

Description

轨道生成装置

技术领域

本发明涉及轨道生成装置，例如，涉及生成机器人的手部所移动的轨道的轨道生成装置。

背景技术

在日本特开2009-211571号公报中公开了利用多质点系统动力学仿真而以使机器人避开障碍物的方式生成机器人的位置轨道的轨道生成装置。

发明内容

在将机器人的轨道从速度轨道切换为位置轨道的情况下，为了识别作为位置轨道的初始值的当前位置，需要停止一次。因此，无法使机器人顺畅地移动。另外，即使假设在切换之前预测并计算出了位置轨道，对于切换时的机器人的位置，也可能出现偏差，无法高精度地计算位置轨道。存在希望实现抑制了如这样的问题的发生的轨道生成装置的课题。

本发明为了解决这样的问题而被做出，提供能够使机器人的动作部位顺畅地移动的轨道生成装置。

本发明的一种方式的轨道生成装置具备能够进行机器人的动作部位的位置轨道的生成的运算部，其中，所述运算部还能够进行所述动作部位的速度轨道的生成，并且，所述运算部在切换时的规定时间之前预测所述切换时的所述动作部位的位置，并生成从预测出的所述位置起的所述位置轨道，所述切换时是将使所述动作部位移动的轨道从所述速度轨道向所述位置轨道切换之时。通过形成像这样的结构，在将机器人的动作部位的轨道从速度轨道切换为位置轨道的情况下，无需停止机器人而能够顺畅地移动。

另外，在预测出的所述位置即预测位置与所述动作部位在所述切换时到达的到达位置之间产生了偏差的情况下，所述运算部对所述到达位置与生成了的所述位置轨道上的距所述预测位置规定距离的连接点之间的轨道进行插补。通过这样的结构，即使在预测位置与到达位置之间出现了偏差的情况下，也无需停止机器人，而能够顺畅地移动。

进一步地，使所述规定时间根据所述速度轨道上的所述动作部位的速度而变化。通过形成这样的结构，能够高精度地生成位置轨道。

通过本发明能够提供能够使机器人的动作部位顺畅地移动的轨道生成装置。

根据下文给出的详细描述和附图，本公开的上述及其他目的、特征和优点将被更加充分地理解，此外，所给出的附图仅用于说明，因此不应视为对本公开进行的限制。

附图说明

图1是例示出实施方式1的机器人的结构的图。

图2是例示出实施方式1的机器人的结构的框图。

图3是例示出实施方式1的轨道生成装置的运算部所生成的轨道的图。

图4是例示出实施方式2的轨道生成装置的运算部所生成的轨道的图。

具体实施方式

以下，参照附图对用于实施本发明的最佳方式进行说明。但是，本发明不应该限定于以下的实施方式。另外，为了明确地进行说明，以下的记载及附图被适当地简化。

(实施方式1)

对实施方式1的轨道生成装置进行说明。本实施方式的轨道生成装置例如在机器人等移动体中生成使手部等动作部位移动的轨道。首先，对作为包含轨道生成装置的移动体的机器人的结构进行说明。之后，对由轨道生成装置进行的机器人的动作部位的轨道生成方法进行说明。

(机器人的结构)

图1是例示出实施方式1的机器人1的结构的图。图2是例示出实施方式1的机器人1的结构的框图。如图1及图2所示，机器人1具备主体部10、动作部位20、驱动部30、传感器40、控制部50及轨道生成装置60。

主体部10构成机器人1的躯干。在主体部10安装有机器人1的动作部位20。另外，在主体部10的下方安装有例如车轮及使车轮旋转的电动机来作为使主体部10移动的驱动部30。例如，主体部10通过车轮的旋转而移动。此外，使主体部10移动的驱动部30不限于车轮及使车轮旋转的电动机，也可以是双足行走的脚部等。

动作部位20例如是机器人1的手部。动作部位20经由驱动部30而安装于主体部10。动作部位20的驱动部30例如是关节及致动器。动作部位20通过关节的旋转而移动。

驱动部30是安装于主体部10的下方的车轮及使车轮旋转的电动机。另外，驱动部30是使动作部位20移动的关节及使关节旋转的致动器。通过主体部10的移动，动作部位20也移动。

传感器40检测机器人1的位置，具体而言，检测主体部10及动作部位20的位置。例如，传感器40是对主体部10及动作部位20进行摄像的相机。传感器40根据拍摄到的图像检测主体部10及动作部位20的位置。传感器40也可以是设置于驱动部30的电动机及致动器的编码器。传感器40也可以通过测定出的旋转信号检测主体部10及动作部位20的位置。传感器40将检测出的位置信息向控制部50输出。

传感器40检测机器人1的速度(速率及方向)及角速度(速率及方向)，具体而言，检测主体部10及动作部位20的速度及角速度。传感器40既可以根据由相机以规定的时间间隔拍摄的多个图像来检测主体部10及动作部位20的速度等，也可以通过设置于电动机及致动器的编码器来检测主体部10及动作部位20的速度等。传感器40将检测出的速度等的信息向控制部50输出。

控制部50对机器人1的动作进行控制。控制部50基于传感器40检测出的主体部10及动作部位20的位置及速度(速率及方向)等的信息而对主体部10及动作部位20的移动进行控制。具体而言，例如，控制部50通过对电动机及关节的旋转的角速度进行控制来对主体部10及动作部位20的移动进行控制。控制部50例如是通用的计算机。

轨道生成装置60具备运算部65。运算部65生成使机器人1的动作部位20移动的轨道61。运算部65生成使动作部位20从起点S移动到终点G的轨道61。运算部65生成位置轨道及速度轨道作为轨道61。位置轨道是指根据动作部位20的位置来控制的轨道。速度轨道是指根据动作部位20的速度来控制的轨道。这样一来，轨道生成装置60具备能够进行机器人1的动作部位20的位置轨道及速度轨道的生成的运算部65。

运算部65在生成速度轨道的情况下，例如，基于从传感器40获取的起点S的位置、起点S处的动作部位20的速度及角速度，以及终点G的位置、终点G处的动作部位20的速度及角速度等的条件而生成将从起点S到终点G的速度连接而成的速度轨道。此外，运算部65可以不利用其中的一些条件地生成速度轨道，也可以利用除这些以外的条件。

运算部65在生成位置轨道的情况下，例如，基于从传感器40获取的起点S的位置、起点S处的动作部位20的速度及角速度，以及终点G的位置、终点G处的动作部位20的速度及角速度等的条件而生成将从起点S到终点G的位置P连接而成的位置轨道。此外，运算部65可以不利用其中的一些条件地生成位置轨道，也可以利用除这些以外的条件来生成位置轨道。

控制部50以使机器人1的动作部位20沿运算部65生成的轨道61移动的方式对主体部10及动作部位20的移动进行控制。例如，控制部50为了使动作部位20沿速度轨道移动，以使从传感器40获取的动作部位20的实际的速度与由运算部65生成的速度轨道上的动作部位20的速度相匹配的方式对驱动部30进行控制。

另外，例如，控制部50为了使动作部位20沿位置轨道移动，以使从传感器40获取的动作部位20的实际的位置与由运算部65生成的位置轨道上的动作部位20的位置相匹配的方式对驱动部30进行控制。

速度轨道使用于如使动作部位20以规定的速度移动那样的情况。例如，使用于使动作部位20快速地向终点G的附近移动的情况等。另一方面，位置轨道使用于高精度地控制动作部位20的移动的位置的情况。例如，使用于如使动作部位20在规定的路径上正确地移动那样的情况。

例如，在机器人1进行通过动作部位20抓取位于远处的台上的物品的动作的情况下，到远处的台的附近为止通过速度轨道控制动作部位20的轨道。在动作部位20到达台的附近并抓取台上的物品的情况下，通过位置轨道控制动作部位20的轨道。由此，到台的附近为止，与动作部位20的轨道上的位置的精度相比，能够使到达的时间优先。因此，能够缩短到达台的附近的时间。

另一方面，在抓取台上的物品的情况下，为了防止抓取失败，与花费在动作部位20的移动上的时间相比，能够使轨道上的位置的精度优先。因此，能够高精度地抓取台上的物品。

像这样，通过将使机器人1的动作部位移动的轨道从速度轨道切换为位置轨道，能够迅速且高精度地使动作部位20移动到目的地点。此外，在使机器人1的动作部位20在干涉物的附近移动的情况下，通过位置轨道控制动作部位20。由此能够抑制动作部位20与干涉物接触。

(轨道生成方法)

接下来，对轨道生成方法进行说明。在本实施方式中，轨道生成装置60的运算部65在将使动作部位20移动的轨道从速度轨道向位置轨道切换的情况下，在切换时的规定时间之前预测切换时的动作部位20的位置。并且，运算部65生成从预测出的位置起的位置轨道。

图3是例示出实施方式1的轨道生成装置60的运算部65所生成的轨道61的图。运算部65生成从机器人1的动作部位20的从起点S到终点G的轨道。例如，运算部65到切换时的时间TC为止将动作部位20的轨道生成为速度轨道。

在生成速度轨道时，假设在时间TS时，动作部位20在起点S的位置PS为速度VS及角速度RS。接下来，运算部65生成如动作部位20以速度VA及角速度RA中的至少一个移动那样的速度轨道。直到切换时的时间TC为止，控制部50以动作部位20的速度VA及角速度RA中的至少一个来对动作部位20进行控制。

若到了比切换时的时间TC早规定时间的时间TB，则控制部50使轨道生成装置60预测在切换时的时间TC的动作部位20的位置PC。控制部50将轨道生成装置60的运算部65生成位置轨道所需要的时间作为规定时间而设定。例如，设定200[msec]作为规定时间。运算部65通过控制部50的控制而预测在切换时的时间TC的动作部位20的位置PC。也将预测出的位置称为预测位置PC。运算部65为了预测预测位置PC而经由控制部50获取传感器40检测出的当前位置PB、当前速度VB、当前角速度RB。并且，运算部65将获取的当前位置PB与对当前速度VB、当前角速度RB进行积分得到的值相加来计算预测位置PC。

接下来，运算部65生成从预测位置PC起的位置轨道。控制部50到切换时的时间TC为止，根据动作部位20的速度对动作部位20的移动进行控制，从切换时的时间TC起，根据动作部位20的位置对动作部位20的移动进行控制。

通过本实施方式的轨道生成装置60，运算部65在切换时的规定时间之前，将从切换时起的轨道作为位置轨道而生成。因此，在将机器人1的轨道从速度轨道切换为位置轨道的情况下，无需为了识别作为位置轨道的初始值的当前位置而停止一次。由此，能够使机器人1的动作部位20顺畅地移动。

开始进行在切换时的动作部位20的位置PC的预测的时间TB切换时的规定时间之前。优选规定时间大于运算部65生成位置轨道所需要的时间。控制部50例如事先设定轨道生成所需要的时间。例如，运算部65生成位置轨道所花费的时间为200[msec]。另外，希望规定时间根据速度轨道上的动作部位20的速度而变化。例如，在速度轨道上的动作部位20的速度大的情况下，由于在控制部50对动作部位20的速度进行控制的过程中花费时间，因此使规定时间增加。相反地，在速度轨道上的动作部位20的速度小的情况下，使规定时间减少。由此，能够使预测位置PC的精度提高。

(实施方式2)

接下来，对实施方式2的轨道生成装置60进行说明。图4是例示出了实施方式2的轨道生成装置60所生成的轨道62的图。如图4所示，在本实施方式中，在轨道生成装置60的运算部65预测出的预测位置PC与动作部位20在切换时的时间TC(＝时间TD)实际到达的到达位置PD之间出现偏差。在这样的情况下，运算部65对到达位置PD与生成了的位置轨道上的与预测位置PC相距规定的距离的连接点E的位置PE之间的轨道进行插补。

具体而言，控制部50在切换时的时间TC通过来自传感器40的位置信息识别在动作部位20实际到达的到达位置PD与预测位置PC之间产生了偏差。在该情况下，控制部50使轨道生成装置60对到达位置PD与生成了的位置轨道上的与预测位置PC相距规定的距离的连接点E的位置PE之间的轨道进行插补。连接点E的位置PE是与预测位置PC相距规定的距离的位置轨道上的位置。

规定的距离例如通过动作部位20的切换时的时间TC的速度VC等设定。即，希望规定的距离根据速度轨道上的动作部位20的速度而变化。例如，在速度轨道上的动作部位20的速度大的情况下，由于控制部50在对动作部位20的速度进行控制的过程中花费时间，因此增大规定的距离。相反地，在速度轨道上的动作部位20的速度小的情况下，缩小规定的距离。由此，能够将插补的轨道与生成的位置轨道顺畅地连接。

运算部65例如也可以将到达位置PD与连接点E的位置PE之间以直线连结。也可以使用除此之外的插补方法。这样一来，运算部65对到达位置PD与连接点E的位置PE之间的轨道进行插补。

通过本实施方式的轨道生成装置60，即使在预测出的切换时的预测位置PC出现偏差，也能够通过从偏差了的位置到位置轨道进行插补而使机器人顺畅地移动。

以上，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但不限于上述的结构，在不脱离本发明的技术思想的范围内能够进行变更。例如，具备实施方式1及2的轨道生成装置的机器人等移动体也包含于本发明的技术思想。另外，将实施方式1及实施方式2组合而成的轨道生成装置及移动体也处于本发明的技术思想的范围。

根据如上所述的本发明，实施例可以以多种方式改变是显而易见的。这些改变不应被认为脱离了本发明的思想和范围，并且所有的对本领域技术人员来说显而易见的修改都旨在包含在请求保护的范围内。

Claims

1.一种轨道生成装置，具备能够进行机器人的动作部位的位置轨道的生成的运算部，其中，

所述运算部还能够进行所述动作部位的速度轨道的生成，

并且，所述运算部在切换时的规定时间之前预测所述切换时的所述动作部位的位置，并生成从预测出的所述位置起的所述位置轨道，所述切换时是将使所述动作部位移动的轨道从所述速度轨道向所述位置轨道切换之时，

使所述规定时间根据所述速度轨道上的所述动作部位的速度而变化。

2.根据权利要求1所述的轨道生成装置，其中，

在预测出的所述位置即预测位置与所述切换时所述动作部位到达的到达位置之间出现了偏差的情况下，所述运算部对所述到达位置与生成了的所述位置轨道上的距所述预测位置规定距离的连接点之间的轨道进行插补。