CN112223289A - 一种路径偏差小的机械手实时运动方法、计算机可读存储介质及智能机械手系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种路径偏差小的机械手实时运动方法、计算机可读存储介质及智能机械手系统，该方法包括：规划机械手从初始位置运动到目标位置的初始运动路径；预估机械手运动分别达到多个预设程度时，机械手所处的各个中途点；对各个中途点，规划机械手运动到目标位置的剩余运动路径，选取步长数量最少的剩余运动路径所对应的中途点；先令机械手运动到所选取的中途点，该过程中所存在的路径偏差不会影响后续的剩余运动路径，所以能使得机械手整体运动的路径偏差小；再令机械手从所选取的中途点往目标位置运动，因为该剩余运动路径包含最少的步长数量，所以能使得机械手经最少的步长走过剩余运动路径，路径偏差进一步减到最小，使得机械手运动更精确。

Description

一种路径偏差小的机械手实时运动方法、计算机可读存储介 质及智能机械手系统

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，特别涉及一种路径偏差小的机械手实时运动方法、计算机可读存储介质及智能机械手系统。

背景技术

随着自动化技术的迅速发展，如今在工业生产中通常会使用机械手来降低人工成本以及提高生产效率。机械手是一种能模仿人手臂动作，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，其可在三维方向上自由运动，从而可对位于不同工位上的物件或工具进行操作。机械手为实现自由运动，通常设有多个关节，两两关节之间的连接处利用受电机驱动的齿轮来实现关节运动，多个关节相互配合运动从而令机械手实现自由运动。

在齿轮驱动关节运动的过程中，单个关节作圆周运动或直线运动。目前的机械手系统通常利用求解器来规划机械手从初始位置运动到目标位置的直线运动路径或弧线运动路径，然后控制装置按照所规划出来的运动路径控制两个以上的关节分别运动从而拟合出多个步长，这些步长就形成机械手从初始位置运动到目标位置的运动路径。但是，由两个以上关节分别运动所拟合出的步长容易出现轻微的路径偏差，而机械手的运动路径由多个步长形成，那么在各个步长都存在轻微的路径偏差的情况下，每个步长的路径偏差还会对下一个步长造成影响，因此机械手的整体运动路径偏差会呈指数状增大，从而使得机械手不能精确地运动。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何令机械手能精确地运动。

发明人曾设想提供一种机械手运动方法，其先规划机械手从初始位置运动到目标位置的运动路径，然后令机械手按照该运动路径从初始位置往目标位置运动，当机械手运动到一定程度，例如运动了一半路径时，重新规划机械手从当前位置运动到目标位置的剩余运动路径，然后令机械手按照重新规划的剩余运动路径运动到目标位置，这样，因为在机械手先运动了一半路径后重新规划了剩余户运动路径，所以就算机械手的前一半运动路径中存在路径偏差，该路径偏差也不会影响后一半剩余运动路径，从而能减小机械手整体运动的路径偏差，使得机械手能精确地工作。但是，在重新规划的后一半剩余运动路径中仍存在多个步长，令机械手按照剩余运动路径运动至目标位置的过程中，还是存在较大的路径偏差，使得机械手的运动不够精确。为解决上述技术问题，现发明人提供：

一种路径偏差小的机械手实时运动方法，包括：

步骤S1.规划所述机械手从初始位置运动到目标位置的初始运动路径；

步骤S2.预估所述机械手按照所述初始运动路径运动分别达到多个预设程度时，所述机械手所处的各个中途点；

步骤S3.对各个所述中途点，规划所述机械手从中途点运动到所述目标位置的剩余运动路径，选取步长数量最少的剩余运动路径所对应的中途点；

步骤S4.先令所述机械手从所述初始位置按照所述初始运动路径运动到所选取的中途点，再令所述机械手从所选取的中途点按照其所对应的剩余运动路径往所述目标位置运动。

优选地，所述步骤S2～S4执行两次以上，从第二次执行所述步骤S2～S4开始，以上次执行所述步骤S3时所选取的中途点作为本次执行所述步骤S2～S4的初始位置，以该中途点所对应的剩余运动路径作为本次执行所述步骤S2～S4的初始运动路径。

优选地，在所述步骤S3中，若步长数量最少的剩余运动路径有两条以上，则在步长数量最少的各条剩余运动路径当中选取路径最短者所对应的中途点。

优选地，在所述步骤S2中，所述预设程度有三个，这三个预设程度分别是所述机械手运动达到所述初始运动路径的一半、所述初始运动路径的一半加一个步长和所述初始运动路径的一半减一个步长。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法中的步骤。

本发明还提供一种智能机械手系统，包括机械手和控制装置，所述控制装置电连接所述机械手，所述控制装置包括相互连接的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机可读存储介质如上所述。

优选地，包括位置检测装置，在所述步骤S4中，利用所述位置检测装置检测所述机械手是否运动到所选取的中途点：

若所述机械手运动到了所选取的中途点，则直接令所述机械手从所选取的中途点按照其所对应的剩余运动路径往所述目标位置运动；

若所述机械手没有运动到所选取的中途点，则先规划所述机械手从当前位置运动到所选取的中途点的修正路径，再令所述机械手从当前位置按照所述修正路径运动到所选取的中途点，然后令所述机械手从所选取的中途点按照其所对应的剩余运动路径往所述目标位置运动。

优选地，所述位置检测装置是不跟随所述机械手运动的视觉相机。

优选地，所述机械手包括至少两个关节；在所述步骤S1中，令所述至少两个关节分别运动从而拟合出多个步长以形成所述初始运动路径；在所述步骤S3中，令所述至少两个关节分别运动从而拟合出多个步长以形成所述剩余运动路径。

优选地，所述至少两个关节所作的运动为圆周运动或直线运动。

本发明具有以下有益效果：因为机械手运动到所选取的中途点的过程中所存在的路径偏差不会影响后续的剩余运动路径，所以在令机械手按照初始运动路径运动到所选取的中途点之后，令机械手按照新规划的剩余运动路径往目标位置运动能使得机械手整体运动的路径偏差小；又因为所选取的中途点对应的剩余运动路径包含最少的步长数量，所以令机械手从所选取的中途点按照其所对应的剩余运动路径往目标位置运动，能使得机械手经最少的步长走过剩余运动路径，路径偏差进一步减到最小，使得机械手运动更精确。

附图说明

图1是智能机械手系统的电路连接框图；

图2是工作台上的坐标平面示意图；

图3是机械手的初始运动路径与运行一次调整步骤之后的运动路径对比示意图；

图4是机械手运行一次调整步骤与运行三次调整步骤之后的运动路径对比示意图。

附图标记说明：1-机械手；2-控制装置；3-视觉相机。

具体实施方式

智能机械手系统如图1所示，包括机械手1、控制装置2和视觉相机3，控制装置2分别电连接机械手1和视觉相机3。控制装置2上存储有针对多种已经建立的线性、整数及各种非线性规划模型进行算法优化的软件系统——求解器。机械手1设有多个关节，两两关节之间的连接处利用受电机驱动的齿轮来实现关节运动，多个关节相互配合运动从而令机械手1实现自由运动。

本实施例中，机械手1在画有坐标平面的工作台上方运动工作，该工作台上的坐标平面如图2所示，在坐标平面上，点S是机械手1所处的初始位置，点A是机械手1的目标位置。其中点S的坐标是(2，2)，点A的坐标是(14，2)，坐标单位是10cm。视觉相机3正对着工作台的坐标平面以拍摄机械手1所处的坐标位置，不跟随机械手1运动，而用作机械手1的位置检测装置。在其他实施例中，视觉相机3可改用其他能检测机械手1所处位置的位置检测装置，例如激光测量仪、电磁检测装置等，在此不赘述。

智能机械手系统在令机械手1实时从初始位置点S运动到目标位置点A的过程中，控制装置2先执行步骤S1：利用求解器来规划机械手1从初始位置点S运动到目标位置点A的初始运动路径(如图3中的线段SA)。控制装置2按照所规划出来的运动路径控制两个以上的关节分别作圆周运动或直线运动从而拟合出多个步长，这些步长就形成机械手1从初始位置点S运动到目标位置点A的初始运动路径。但是，由两个以上关节分别运动所拟合出的步长容易出现轻微的路径偏差，而机械手1的初始运动路径由多个步长形成，那么在各个步长都存在轻微的路径偏差的情况下，每个步长的路径偏差还会对下一个步长造成影响，因此机械手1的整体运动路径偏差会以指数级增大，故机械手1不能精确地运动，从而导致机械手1会运动到实际终点位置点B，该实际终点位置点B与目标位置点A相差较大，使得实际的初始运动路径由线段SA变为弧线SB。为了解决这个问题，控制装置2控制机械手1实时运动还包括如下调整步骤S2～S4：

步骤S2：在令机械手1按照初始运动路径运动之前，控制装置2先预估机械手1按照初始运动路径运动分别达到三个预设程度时，机械手1所处的各个中途点，这三个预设程度分别是：初始运动路径的一半、初始运动路径的一半加一个步长和初始运动路径的一半减一个步长。其中，机械手1按照初始运动路径运动达到初始运动路径的一半时所处的中途点是B1；机械手1按照初始运动路径运动达到初始运动路径的一半加一个步长时所处的中途点是B2；机械手1按照初始运动路径运动达到初始运动路径的一半减一个步长时所处的中途点是B3。

步骤S3：对各个中途点B1、B2和B3，控制装置2利用求解器分别规划机械手1从中途点B1运动到目标位置点A的第一剩余运动路径、机械手1从中途点B2运动到目标位置点A的第二剩余运动路径以及机械手1从中途点B3运动到目标位置点A的第三剩余运动路径。因为求解器是依据机械手1处于不同位置时的实际位姿来规划运动路径的，所以机械手1处于三个不同的中途点B1、B2和B3时，求解器分别规划出来的三条剩余运动路径会有所不同。由于三条剩余运动路径各自也是由多个步长形成，机械手1无论按照哪一条剩余运动路径往目标位置点A运动之后都会存在路径偏差，因此，机械手1按照第一剩余运动路径运动后所能达到的实际终点位置变为点C1，按照第二剩余运动路径运动后所能达到的实际终点位置变为点C2，按照第二剩余运动路径运动后所能达到的实际终点位置变为点C3。然后控制装置2分析各条剩余运动路径所分别包含的步长数量，其中第一剩余运动路径所包含的步长数量最少，故选取第一剩余运动路径所对应的中途点B1。在其他实施例中，若步长数量最少的剩余运动路径有两条以上，例如中途点B1与中途点B2所对应的剩余运动路径所包含的步长数量相同且最少，但若中途点B1所对应的剩余运动路径最短，则选取中途点B1，即在步长数量最少的各条剩余运动路径当中选取路径最短者所对应的中途点。

步骤S4：在选取了中途点B1之后，控制装置2先控制相关电路令机械手1从初始位置点S按照初始运动路径运动到所选取的中途点B1，再控制相关电路令机械手1从所选取的中途点B1按照其所对应的第一剩余运动路径往目标位置点A运动。在机械手1从初始位置点S按照初始运动路径往所选取的中途点B1运动的过程中，控制装置2利用视觉相机3拍摄机械手1的实时位置，据此检测机械手1是否运动到所选取的中途点B1：若机械手1运动到了所选取的中途点B1，则控制装置2直接令机械手1从所选取的中途点B1按照其所对应的第一剩余运动路径往所述目标位置点A运动；若机械手1没有运动到所选取的中途点B1，则控制装置2先规划机械手1从当前位置运动到所选取的中途点B1的修正路径，再令机械手1从当前位置按照修正路径运动到所选取的中途点B1，然后令机械手1从所选取的中途点B1按照其所对应的第一剩余运动路径往所述目标位置点A运动。

因为机械手1运动到各个中途点B1、B2和B3的过程中所存在的路径偏差不会影响后续的剩余运动路径，所以控制装置2在令机械手1按照初始运动路径运动到所选取的中途点B1之后，令机械手1按照新规划的第一剩余运动路径往目标位置点A运动能使得机械手1整体运动的路径偏差小。又因为所选取的中途点B1对应的第一剩余运动路径包含最少的步长数量，所以令机械手1从所选取的中途点B1按照其所对应的第一剩余运动路径往目标位置点A运动，相比令机械手1从中途点B2按照第二剩余运动路径或从中途点B3按照第三剩余运动路径往目标位置点A运动，能使得机械手1经最少的步长走过剩余运动路径运动到点C1，路径偏差进一步减到最小，使得机械手1运动更精确。

但是，从图3可以看出，机械手1最终运动到的实际终点位置点C1与目标位置点A的偏差仍较大，因此，上述调整步骤S2～S4需执行两次以上以再进一步减小偏差，其中：从第二次执行步骤S2～S4开始，以第一次执行步骤S3时所选取的中途点B1作为第二次执行调整步骤S2～S4的初始位置，以该中途点B1所对应的第一剩余运动路径作为第二次执行调整步骤S2～S4的初始运动路径；以第二次执行步骤S3时所选取的中途点作为第三次执行调整步骤S2～S4的初始位置，以该中途点所对应的剩余运动路径作为第三次执行调整步骤S2～S4的初始运动路径……综上，从第二次执行步骤S2～S4开始，以上次执行步骤S3时所选取的中途点作为本次执行调整步骤S2～S4的初始位置，以该中途点所对应的剩余运动路径作为本次执行调整步骤S2～S4的初始运动路径。机械手1在运行了三次调整步骤S2～S4之后，如图4所示，机械手1的实际终点位置就从点C1变为点C，从而进一步减小了偏差，使得机械手1运动更精确。

本实施例中，因为工作台上画有坐标平面，且坐标平面的坐标单位、机械手1的初始位置坐标S和机械手1的目标位置坐标A都是已知的，所以机械手1在运动过程中，控制装置2能利用视觉相机3检测机械手1所走过路径坐标，并能据此检测出机械手1是否运动到所选取的中途点，该检测方式属于本领域技术人员已知的常规技术手段，在此不赘述。

其中，控制装置2包括相互连接的计算机可读存储介质和处理器，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述机械手实时运动方法，控制机械手1智能运动和工作。

在本说明书直接或间接提出的方法中，以一种可能的操作顺序描述了各种步骤和操作，但是本领域技术人员将认识到，可以重新布置、替换或消除步骤和操作，而不必脱离本发明的精神和范围。可以理解的是，本文所述的示例和实施例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。据此所作的各种修改或变形将被建议给本领域技术人员，且将被包括在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种路径偏差小的机械手实时运动方法，包括：

步骤S1.规划所述机械手从初始位置运动到目标位置的初始运动路径；

其特征是，还包括：

步骤S2.预估所述机械手按照所述初始运动路径运动分别达到多个预设程度时，所述机械手所处的各个中途点；

步骤S3.对各个所述中途点，规划所述机械手从中途点运动到所述目标位置的剩余运动路径，选取步长数量最少的剩余运动路径所对应的中途点；

步骤S4.先令所述机械手从所述初始位置按照所述初始运动路径运动到所选取的中途点，再令所述机械手从所选取的中途点按照其所对应的剩余运动路径往所述目标位置运动。

2.根据权利要求1所述的机械手实时运动方法，其特征是，所述步骤S2～S4执行两次以上，从第二次执行所述步骤S2～S4开始，以上次执行所述步骤S3时所选取的中途点作为本次执行所述步骤S2～S4的初始位置，以该中途点所对应的剩余运动路径作为本次执行所述步骤S2～S4的初始运动路径。

3.根据权利要求2所述的机械手实时运动方法，其特征是，在所述步骤S3中，若步长数量最少的剩余运动路径有两条以上，则在步长数量最少的各条剩余运动路径当中选取路径最短者所对应的中途点。

4.根据权利要求2所述的机械手实时运动方法，其特征是，在所述步骤S2中，所述预设程度有三个，这三个预设程度分别是所述机械手运动达到所述初始运动路径的一半、所述初始运动路径的一半加一个步长和所述初始运动路径的一半减一个步长。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述的方法中的步骤。

6.一种智能机械手系统，包括机械手和控制装置，所述控制装置电连接所述机械手，所述控制装置包括相互连接的计算机可读存储介质和处理器，其特征是，所述计算机可读存储介质如权利要求5所述，。

7.根据权利要求6所述的智能机械手系统，其特征是，包括位置检测装置，在所述步骤S4中，利用所述位置检测装置检测所述机械手是否运动到所选取的中途点：

若所述机械手运动到了所选取的中途点，则直接令所述机械手从所选取的中途点按照其所对应的剩余运动路径往所述目标位置运动；

若所述机械手没有运动到所选取的中途点，则先规划所述机械手从当前位置运动到所选取的中途点的修正路径，再令所述机械手从当前位置按照所述修正路径运动到所选取的中途点，然后令所述机械手从所选取的中途点按照其所对应的剩余运动路径往所述目标位置运动。

8.根据权利要求7所述的智能机械手系统，其特征是，所述位置检测装置是不跟随所述机械手运动的视觉相机。

9.根据权利要求6所述的智能机械手系统，其特征是，所述机械手包括至少两个关节；在所述步骤S1中，令所述至少两个关节分别运动从而拟合出多个步长以形成所述初始运动路径；在所述步骤S3中，令所述至少两个关节分别运动从而拟合出多个步长以形成所述剩余运动路径。

10.根据权利要求9所述的智能机械手系统，其特征是，所述至少两个关节所作的运动为圆周运动或直线运动。

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