CN111267093A - 一种scara机器人连续轨迹控制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计机器人控制技术领域，针对SCARA机器人连续轨迹提出了不同的实现方法，包括连续直线的画法、空间任意曲线的画法以及平面中圆的画法。其中针对画圆的过程中，利用平面坐标系转化为极坐标系的方法，极大的简化了圆轮廓上的点的计算复杂程度，提高了计算效率。

Description

一种SCARA机器人连续轨迹控制实现方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种SCARA机器人连续轨 迹实现方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，机器人相关领域技术愈加的成为各国共同关注 的课题。机器人在进行抓取等一系列工作时，需要对目标物的位置进行定位， 然后再依据末端的位置进行计算，得到机器人各个轴的角度值。

目前很多连续轨迹的实现方法在求取特征点时都是采用平面坐标系的方 法，特别是在实现圆轮廓连续轨迹时，若直接在平面坐标系中计算圆轮廓上的 一系列特征点时，计算会很复杂，计算效率会很低。

发明内容

本发明针对现有技术中的对特殊结构的机械手的位姿进行控制，通过坐标 变换，使运算复杂，更加精确的实现各种连续轨迹在线控制。

本发明通过以下技术方案实现该目的：

当规划机械手走直线运动时，可直接运用直线插补的函数，求得规划直线 上每一个插补点，而后进行点到点控制。

当规划机械手走任意曲线运动时，需要通过视觉或者人为遥操作的方式寻 找曲线中的特征点，而后进行点到点控制，求出相邻两点之间各轴需要转动的 角度和对应的速度，进而使机械手按照特征点的顺序连续运动。

当规划机械手按照一定的规律曲线运动时，如使机械手进行画圆操作时， 为了简化计算圆上相邻两点的坐标，可采用坐标变换的方法，将平面坐标系转 化为极坐标系。

更具体的，首先确定起始点P(x₁，y₁，z₁)和圆上任意两点Q(x₂，y₂，z₂)， Z(x3，y3，z3)，假定在同一平面。

在同一水平面的空间坐标系下，将圆心的坐标O₁(x₀，y₀)和半径R求 得。即任意两点求中垂线，Q(x₂，y₂)、Z(x₃，y₃)两点求中垂线，P(x₁，y₁)、Z(x₃， y₃)两点求中垂线。两中垂线的交点即为圆心，并由距离公式求得半径R。

两中垂线的交点即为圆心，并由距离公式求得半径R。

变换坐标系，设圆心坐标为极坐标系原点，极线方向与空间坐标系下X 轴的方法平行，进而求θ₁，易知a tan2(y₁-y₀，x₁-x₀)。

求得θ₁后，将θ₁以加或减Δθ的方式趋近于θ₁±360°。

下一时刻的坐标为ΔP(R*cos(θ₁±Δθ)，R*sin(θ₁±Δθ))。

进一步，将极坐标系转化为平面坐标系，求得机械臂各个轴的角度值。

附图说明

图1是空间任意曲线示意图；

图2是本发明的通用型机械手画圆坐标系结构示意图；

图3是本发明的寻找圆心的示意图；

图4是本发明的极坐标系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

当机械手运动轨迹为一直线时，则可直接运用直线插补的方法，设从起始 点A₀(x₀，y₀，z₀)开始，根据设定好的插补次数，可求出各方向中插补点的坐 标，进而利用逆运动学公式求解出各个轴需要转动的角度。

其中，各方向中间任意插补点的坐标为：

其中，各方向中间任意插补点的坐标为：

当机械手运动轨迹为空间任意曲线时，如图1所示的空间曲线，则可利 用视觉寻找特征点，或者人为的进行遥操作找点(P₁，P₂，P₃，…，P_n)，当获取 曲线上的特征点后，即可调用机器人运动学逆解算法求得各轴在相邻两点所需 转动的角度及速度，进而进行点到点控制。

当机械手运动轨迹为有规律的且可用数学公式逐一表达的，如圆轨迹，则 可利用数学表达式进行严格的轨迹规划。根据图2，图3有：

首先确定实际起始点P(x₁，y₁，z₁)，以及圆上任意两点Q(x₂，y₂，z₂)， Z(x₃，y₃，z₃)，假定在同一平面。

在同一水平面的空间坐标系下，将圆心的坐标O₁(x₀，y₀)和半径R求 得。即任意两点求中垂线，Q(x₂，y₂)、Z(x₃，y₃)两点求中垂线，(P x₁， y₁)、Z(x₃，y₃)两点求中垂线。

两中垂线的交点即为圆心，并由距离公式求得半径R。

变换坐标系，设圆心坐标为极坐标系原点，极线方向与空间坐标系下X轴 的方法平行，进而求θ₁，易知θ₁＝a tan2(y₁-y₀，x₁-x₀)。极坐标系示意图如图4 所示。

求得θ₁后，将θ₁以加或减Δθ的方式趋近于θ₁±360°。

下一时刻点的坐标为ΔP(R*cos(θ1±Δθ)，R*sin(θ1±Δθ))，每求完一次 点的坐标后，都要进行空间坐标系的变换并调用运动学逆解算法，来求得各个 轴所需转动的角度及速度。

以实验为例，控制器设定的同步周期为4ms，且规定θΔ为0.04°，即完成 圆轮廓的轨迹规划需要9000个点，控制器会在每4ms的时间内将相邻两点 之间各轴变化的角度及速度计算出来，并发送给伺服驱动器，以完成SCARA 机器人圆弧曲线的在线轨迹规划。

需要补充的是，对于机器人末端连续轨迹的控制，不管是采用上述3种 方法中的哪一种，机械手末端的速度都是设定好的，即末端一直保持匀速运动。 因此可根据末端设定的速度来求相邻两点机械手末端运动的时间，进而求取各 个轴的速度，以此来达到末端匀速运动，而各轴变速运动的目的。

且在相邻运动点的切换时(以3个点为例)，第2个点既是前两个点的 终点，又是后两个点的起点，因此各轴速度并不需要降为零后重新启动，这样 可以避免机械手在运动过程中由于速度剧烈突变引起的机械抖动。轨迹上的所 有规划点都可按照上述的方法进行在线控制，待机械手末端按照规划的顺序行 走完全部规划点时，即完成了连续轨迹的在线控制。

Claims (3)

1.一种SCARA机器人连续轨迹实现方法，其特征在于，可包含以下过程：

(1)当使用SCARA机器人实现直线轨迹运动时，可直接采用直线插补的方法，实现对直线上每个点的计算。

(2)当使用SCARA机器人实现任意曲线轨迹控制时，可人为的寻找并标记曲线上的特征点，进而将相邻两特征点之间各轴需变化的角度及速度进行计算并发送给控制器实现连续轨迹的在线控制。

(3)当使用SCARA机器人实现平面中有规律轨迹如圆轮廓轨迹的控制时，可利用平面坐标系和极坐标系之间的转化，进而极大的简化计算圆轮廓上的点的复杂程度。

2.根据权利要求1所述的SCARA机器人连续轨迹实现方法，所述的过程(3)中，需要确定圆周中任意两点Q(x₂，y₂，z₂)，Z(x₃，y₃，z₃)的位置，从而计算出以当前位置点P所在圆的圆心O(x₀，y₀，z₀)和半径R；假定在同一平面画圆，机械手臂当前点为起始点P(x₁，y₁，z₁)，根据以圆心O₁为原点的坐标系求得P点与圆心的夹角θ₁，随后逐渐按照一定规律增加θ₁，当增加量为360度时，即完成了描绘整个圆的轮廓。

3.根据权利要求2所述的SCARA机器人连续轨迹实现方法中，根据空间几何知识易知θ₁＝a tan2(y₁-y₀，x₁-x₀，)，以圆心O₁作为极坐标系的原点，极线方向与空间坐标系下的X轴平行，之后的问题求解便是在极坐标系{ρ，θ}中进行计算，极大的简化了所需规划的圆周上的点的计算。

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