CN111966040B - 一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，获取连杆和关节参数，得到六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型，获取三个相交连杆的交点位置，并通过计算末端旋杆分量得到设定相交的三个所述连杆的轴角度，利用外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合的乘积求和为零得到拉格朗日模型，滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹，获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，根据设定的优化功率值计算关节旋转角度，并结合得到的所述拾放运动轨迹，得到优化后的拾取轨迹，提高机器人在完成拾放任务的过程中控制精度，确保拾放位置准确。

Description

一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法
技术领域
本发明涉及机器人抓取技术领域，尤其涉及一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法。
背景技术
工业场合中通常使用机器人抓取产品从某个位置移动到下一个位置，机器人在动载冲击条件下，完成拾放任务。由于产品本身具有自重，因此机器人控制器需要能够通过机构动载的分配优化将外部载荷进行合理的分配，从而实现平稳运动，目前工业环境中的视觉分拣任务通常由控制器驱动机器人和末端手爪完成抓取动作，以盒装产品的抓取为例，首先由控制器驱动机器人到抓取盒装产品处，通过位姿解算下降机器人夹爪至抓取点位置，驱动机器人进行抓取，移动并完成码放的任务，但由于物体本身重力作用的影响，会对工业机器人的控制模型产生一定的负载冲击，进而导致机器人在完成拾放任务的过程中控制精度不高，拾放位置不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，提高机器人在完成拾放任务的过程中控制精度，确保拾放位置准确。
为实现上述目的，本发明提供了一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，包括：
获取连杆和关节参数，生成六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型；
获取三个相交连杆的交点位置，计算对应轴角度；
根据外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合，生成拉格朗日模型；
滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹；
获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，得到优化后的拾放轨迹。
其中，所述获取连杆和关节参数，生成六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型，包括：
获取连杆i和关节i的关节角度Qi、连杆偏置di、连杆长度ai和连杆扭曲ri，得到六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型
Figure BDA0002627359940000022
其中，Rot和Trans分别是空间旋转和平移矩阵，x和z为笛卡尔坐标系坐标轴。
其中，所述获取三个相交连杆的交点位置，计算对应轴角度，包括：
获取三个相交连杆的原点作为交点位置，得到所述交点位置在基坐标系中的交点位置
Figure BDA0002627359940000021
其中，T为关节坐标转换矩阵，POGR和P′OGR为交点及交点在基坐标系中的位置。
其中，所述获取三个相交连杆的交点位置，计算对应轴角度，还包括：
将相交轴中的任意连杆的位置输入所述交点位置中，经过关节坐标转换和消除第一因变量后，得到第二因变量和第三因变量，并通过计算末端旋杆分量得到三个相交连杆的轴角度。
其中，所述根据外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合，生成拉格朗日模型，包括：
根据质点间约束力的方向与其径向向量同向，利用外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合的乘积求和为零得到拉格朗日模型。
其中，所述滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹，包括：
在路径点集合中取每5个点进行一次轨迹拟合，并将相邻两次拟合轨迹中的前一次拟合轨迹中的3个点与后一次拟合轨迹中的2个点进行B样条曲线拟合，得到连续的拾放运动轨迹。
其中，所述获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，得到优化后的拾放轨迹，包括：
获取设定初始粒子群种群和适应度函数，并将所述初始粒子群种群初始化，根据PSO约束条件，将个体与个体按照设定值进行交叉，得到第一整数和第二整数，并将所述第一整数和所述第二整数之间的数据进行交叉。
其中，所述获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，得到优化后的拾放轨迹，还包括：
根据驱动装置的瞬间力矩和关节转角，得到优化目标函数，根据设定的优化功率值计算关节旋转角度，并结合得到的所述拾放运动轨迹，得到优化后的拾取轨迹。
本发明的一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，获取连杆和关节参数，得到六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型，获取三个相交连杆的交点位置，得到所述交点位置在基坐标系中的交点位置，并通过计算末端旋杆分量得到设定相交的三个所述连杆的轴角度，根据质点间约束力的方向与其径向向量同向，利用外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合的乘积求和为零得到拉格朗日模型，滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹，获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，根据设定的优化功率值计算关节旋转角度，并结合得到的所述拾放运动轨迹，得到优化后的拾取轨迹，提高机器人在完成拾放任务的过程中控制精度，确保拾放位置准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明提供一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，包括：
S101、获取连杆和关节参数，生成六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型。
具体的，获取连杆i和关节i的关节角度Qi、连杆偏置di、连杆长度ai和连杆扭曲ri，通过DH算法得到六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型
Figure BDA0002627359940000041
其中，Rot和Trans分别是空间旋转和平移矩阵，x和z为笛卡尔坐标系坐标轴。
S102、获取三个相交连杆的交点位置，计算对应轴角度。
具体的，设定相交的三个连杆，并将所述三个连杆的原点作为交点位置，得到所述交点位置在基坐标系中的交点位置
Figure BDA0002627359940000042
其中，T为关节坐标转换矩阵，POGR和P′OGR为交点及交点在基坐标系中的位置，将相交轴中的任意连杆的位置输入所述交点位置中，经过关节坐标转换和消除第一因变量后，得到第二因变量和第三因变量，并通过计算末端旋杆分量得到设定相交的三个所述连杆的轴角度，举例来说，设定最后三个轴相交，则连杆4、5和6的原点都处于交点位置，该交点位置在基坐标系中的位置是：
Figure BDA0002627359940000043
当i＝4时，则所述交点位置为：
Figure BDA0002627359940000044
其中，T为关节坐标转换矩阵，POGR和P′OGR为交点及交点在基坐标系中的位置，d，a，s，c分别为机器人本体建模参数，i表示关节数。通过消除第一因变量Q1，容易求解第二变量Q2和第三变量Q3其求解方法通过以下公式计算：
Figure BDA0002627359940000045
其中，r＝x2+y2+z2，k1，k2，k3，k4分别为与机器人本体参数d、a、s、c相关的简化函数式。
最后通过计算末端旋杆分量求出4、5、6三个轴的角度。
S103、根据外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合，生成拉格朗日模型。
具体的，根据质点间约束力的方向与其径向向量同向，利用外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合的乘积求和为零得到拉格朗日模型，其中，虚功原理的表达式为：
Figure BDA0002627359940000046
其中，fi a为外界施加的作用力，σri为广义坐标的虚位移集合。由此构造拾取机器人的拉格朗日方程如下：
Figure BDA0002627359940000051
其中，函数L为系统的能量和，即拉格朗日算子，y为纵轴方向上的变量，f为包含惯性力的外力。
S104、滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹。
具体的，采用B样条插值的方法构建拾放运动轨迹，则有：
Figure BDA0002627359940000052
其中，di表示控制点，n表示控制点数量，Ni，5(t)表示五次规范B样条曲线的基函数。路径点集合中取每5个点进行一次轨迹拟合，为保持路径轨迹的连续性，采用滑动取点法，即每次将相邻两次拟合轨迹中的去上一次拟合轨迹中的3个点并增加下一次拟合轨迹中的2个点进行B样条曲线拟合，以保持二阶连续性。
S105、获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，得到优化后的拾放轨迹。
具体的，采用粒子群算法对外部载荷分配力矩进行优化，由于机器人机构的运动轨迹并不相同，因而会导致外部载荷在驱动机构上造成的力矩不同，最终造成了机器人各关节的输出功率、力矩、速度等出现差异，粒子群优化算法以求解功率最小为优化目标，避免高频、高幅值功率波形出现，有利于机器人低耗、平稳运动。获取设定初始粒子群种群和适应度函数，并将所述初始粒子群种群初始化，其中适应度函数如下：
Figure BDA0002627359940000053
其中，fit为适应度函数，dij为从i点进化到j点的权值距离，n为粒子总数。
根据PSO约束条件，交叉操作采用个体与个体最优值进行交叉，首先生成两个第一整数i和第二整数j(i＜j)，之后对i和j之间的数据进行交叉。
在拾放过程中，设定机器人功率最小作为目标优化函数，表示如下：
Figure BDA0002627359940000054
其中，
Figure BDA0002627359940000061
为优化目标函数，τi(t)为驱动装置的瞬间力矩，qi(t)为关节转角，T为常量。
根据设定的优化功率值计算关节旋转角度，并结合通过B样条插值法得到的拾放运动轨迹，得到优化后的拾取轨迹，提高机器人在完成拾放任务的过程中控制精度，确保拾放位置准确。
本发明的一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，获取连杆和关节参数，得到六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型，获取三个相交连杆的交点位置，得到所述交点位置在基坐标系中的交点位置，并通过计算末端旋杆分量得到设定相交的三个所述连杆的轴角度，根据质点间约束力的方向与其径向向量同向，利用外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合的乘积求和为零得到拉格朗日模型，滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹，获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，根据设定的优化功率值计算关节旋转角度，并结合得到的所述拾放运动轨迹，得到优化后的拾取轨迹，提高机器人在完成拾放任务的过程中控制精度，确保拾放位置准确。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，其特征在于，包括：
获取连杆和关节参数，生成六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型；包括：
获取连杆i和关节i的关节角度Qi、连杆偏置di、连杆长度ai和连杆扭曲ri，得到六轴机器人关节与末端执行器的位姿数学模型
Figure FDA0003139314370000011
其中，Rot和Trans分别是空间旋转和平移矩阵，x和z为笛卡尔坐标系坐标轴；
获取三个相交连杆的交点位置，计算对应轴角度；包括：
获取三个相交连杆的原点作为交点位置，得到所述交点位置在基坐标系中的交点位置，
Figure FDA0003139314370000012
其中，T为关节坐标转换矩阵，POGR和P′OGR为交点及交点在基坐标系中的位置；将相交轴中的任意连杆的位置输入所述交点位置中，经过关节坐标转换和消除第一因变量后，得到第二因变量和第三因变量，并通过计算末端旋杆分量得到三个相交连杆的轴角度；
根据外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合，生成拉格朗日模型；
滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹；
获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，得到优化后的拾放轨迹。
2.如权利要求1所述的一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，其特征在于，所述根据外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合，生成拉格朗日模型，包括：
根据质点间约束力的方向与其径向向量同向，利用外界施加的作用力与广义坐标的虚位移集合的乘积求和为零得到拉格朗日模型。
3.如权利要求2所述的一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，其特征在于，所述滑动选取多个路径点进行轨迹拟合，得到拾放运动轨迹，包括：
在路径点集合中取每5个点进行一次轨迹拟合，并将相邻两次拟合轨迹中的前一次拟合轨迹中的3个点与后一次拟合轨迹中的2个点进行B样条曲线拟合，得到连续的拾放运动轨迹。
4.如权利要求3所述的一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，其特征在于，所述获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，得到优化后的拾放轨迹，包括：
获取设定初始粒子群种群和适应度函数，并将所述初始粒子群种群初始化，根据PSO约束条件，将个体与个体按照设定值进行交叉，得到第一整数和第二整数，并将所述第一整数和所述第二整数之间的数据进行交叉。
5.如权利要求4所述的一种机器人拾放任务中用于平衡冲击动载的轨迹生成方法，其特征在于，所述获取设定的功率值对外部载荷分配力矩进行优化，得到优化后的拾放轨迹，还包括：
根据驱动装置的瞬间力矩和关节转角，得到优化目标函数，根据设定的优化功率值计算关节旋转角度，并结合得到的所述拾放运动轨迹，得到优化后的拾取轨迹。
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