CN112356026A - 一种生成工业机器人指令衔接路径的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生成工业机器人指令衔接路径的方法和装置。该方法建立连接前一条运动指令的衔接区域点和下一条运动指令的衔接区域点的光滑曲线作为衔接曲线；当机器人按照前一条运动指令的运动方向运动到离衔接点的距离小于衔接区域的半径时，机器人按照衔接曲线向下一条运动指令的运动方向运动。衔接曲线的起点为前一条运动指令的衔接区域点，终点为后一条运动指令的衔接区域点；起点处的切线方向平行于前一条运动指令的运动方向，终点处的切线方向平行于后一条运动指令的运动方向。采用NURBS曲线生成所述衔接曲线。本发明的核心是设计机器人工具中心点经过衔接点附近的路径轨迹，能够以精确的数学方法表达，为机器人运动控制器提供基础。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种生成工业机器人指令衔接路径的方法和装置。
背景技术
工业机器人被广泛应用于焊接、喷涂、组装、采集、放置等领域。人们使用工业机器人的方法是对机器人进行编程，为其设置运动指令，以控制机械臂工具的运动。最常见的二种运动指令是直线运动指令MoveL和圆弧运动指令MoveC。每条运动指令都用各种参数规定了机械臂的运动轨迹。多条运动指令连在一起形成一条连续的运动轨迹。
上一条指令的终点就是下一条指令的起点。我们将这个点称为衔接点。通常有二种方式来处理衔接点附近的轨迹。一种是让机器人工具的末端精确通过衔接点。这种方式的缺点是会造成工具速度的不连续。因为上一条指令到达终点的运动方向一般情况下与下一条指令离开起点的运动方向是不平行的，所以会造成速度方向的不连续变化。这种情况下机器人需要在到达衔接点之后完全停止下来，再开始下一条指令的执行。另外一种方式是在到达衔接点附近一定距离之后，不继续向衔接点运动，而是以一条光滑的轨迹向下一条指令的轨迹方向运动，见图1所示。
当前的工业机器人均会在衔接点处采用一定的方法规避速度方向不连续的问题，如何更好地解决这个问题具有重要的意义。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种生成工业机器人指令衔接路径的方法和装置。
本发明采用的技术方案如下：
一种生成工业机器人指令衔接路径的方法，包括以下步骤：
建立连接前一条运动指令的衔接区域点和下一条运动指令的衔接区域点的光滑曲线，作为衔接曲线；
当机器人按照前一条运动指令的运动方向运动到离衔接点的距离小于衔接区域的半径时，机器人按照衔接曲线向下一条运动指令的运动方向运动。
进一步地，所述衔接曲线满足以下要求：
衔接曲线的起点为前一条运动指令的衔接区域点，衔接曲线的终点为后一条运动指令的衔接区域点；
衔接曲线的起点处的切线方向平行于前一条运动指令的运动方向，衔接曲线的终点处的切线方向平行于后一条运动指令的运动方向；
衔接曲线不能超出衔接区域的范围。
进一步地，采用NURBS曲线生成所述衔接曲线；所述衔接曲线分成4类：
LL型，衔接MoveL和MoveL指令；
LC型，衔接MoveL和MoveC指令；
CL型，衔接MoveC和MoveL指令；
CC型，衔接MoveC和MoveC指令。
进一步地，LL型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：3个，分别为起始衔接区域点，衔接点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,1；
节点的重数：3,3。
进一步地，LC型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,0.5,1；
节点的重数：3,3,3。
进一步地，CL型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,0.5,1；
节点的重数：3,3,3。
进一步地，CC型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,0.5,1；
节点的重数：3,1,3。
一种采用上述方法的生成工业机器人指令衔接路径的装置，其包括：
衔接曲线建立模块，用于建立连接前一条运动指令的衔接区域点和下一条运动指令的衔接区域点的光滑曲线，作为衔接曲线；
路径衔接模块，用于当机器人按照前一条运动指令的运动方向运动到离衔接点的距离小于衔接区域的半径时，使机器人按照衔接曲线向下一条运动指令的运动方向运动。
本发明的有益效果如下：
本方案的核心是设计机器人工具中心点经过衔接点附近的路径轨迹，能够以精确的数学方法表达，为机器人运动控制器提供基础。本方案生成的衔接路径具备以下特征：
1)保证衔接路径和原始路径之间的一阶和二阶连续性，即机器人运动速度的连续性和运动加速度的连续性，连续性对于防止机器人抖动和保证运动控制的精度有重要意义；
2)保证衔接路径的线速度近似等于原始路径的线速度(由于NURBS曲线的长度无法精确求出，所以不能保证线速度的完全匹配)。
附图说明
图1是机器人在到达衔接点附近一定距离后以一条光滑的轨迹向下一条指令的轨迹方向运动的示意图。
图2是衔接区域的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
一.衔接区域的定义
如图2所示，衔接区域是一个以衔接点为圆心的圆形区域，当机器人工具进入到离衔接点的距离小于衔接区域的半径时，机器人工具就可以不再向着衔接点前进，而是以一条光滑的曲线向着下一条运动路径的前进方向前进。将运动指令规定的原始轨迹上与衔接点的距离等于衔接区域的半径的点成为衔接区域点。
二.衔接曲线的定义
衔接曲线是连接前一条运动指令的衔接区域点和下一条运动指令的衔接区域点的光滑曲线。
对衔接曲线有如下要求：
1.衔接曲线的起点为前一条运动指令的衔接区域点，衔接曲线的终点为后一条运动指令的衔接区域点。
2.衔接曲线的起点处的切线方向平行于前一条运动指令的运动方向；衔接曲线的终点处的切线方向平行于后一条运动指令的运动方向。也就是说，衔接曲线和两头的运动指令轨迹要光滑相接。
3.衔接曲线不能超出衔接区域的范围，也就是说衔接曲线要在衔接点和两个衔接区域点形成的扇形范围之内。
三.衔接曲线的生成方法
根据上面分析的关于衔接曲线的特性要求，已知起点和终点的位置，以及起点和终点的切线(导数方向)，需要构造一条数学曲线，并且这条曲线要在衔接点和衔接区域点控制的范围之内。
我们采用NURBS曲线来生成衔接曲线。NURBS曲线是在计算机几何辅助设计中经常采用的一类曲线。关于它的详细信息可参考Les Piegl,Wayne Tiller,The NURBS Book,Springer,1997.
当生成NURBS曲线时，需要指定的要素包括：
1.控制点：控制点大致规定了NURBS曲线的形状，曲线整体位于控制点形成的凸多边形中；
2.控制点的权重：控制点的权重规定了该控制点对曲线形状的影响能力，权重越大，曲线越向该控制点的方向拉伸；
3.曲线的次数：表示曲线的数学多项式的次数；
4.节点：节点规定了曲线的每个基函数所占用的自变量的取值范围；
5.节点的重数：节点重数也影响到曲线基函数的占用的自变量的取值范围，并影响曲线分段的形状。
有了这5个要素，就可以用标准算法生成NURBS曲线。
(一)衔接曲线的分类
根据前一条运动指令和后一条运动指令的类别，我们将衔接曲线分为4类。运动指令包括2类：
1.MoveL，直线运动指令，规定了运动的起点和终点；
2.MoveC，圆弧运动指令，用3个点规定了运动的圆弧，这3个点分别是起点，终点和圆弧上一个中间点。
从而衔接曲线分成4类：
1.LL型，衔接MoveL和MoveL指令；
2.LC型，衔接MoveL和MoveC指令；
3.CL型，衔接MoveC和MoveL指令；
4.CC型，衔接MoveC和MoveC指令。
(二)四类衔接曲线的定义方法
我们定义半衔接区域点为：由衔接区域点开始沿运动指令的切线方向向着衔接点延伸1/2衔接区域的半径长度得到的点。半衔接区域点是对应于衔接区域点的。
下面分别定义四类衔接曲线。
LL型：
·控制点：3个，分别为起始衔接区域点，衔接点，终到衔接区域点
·控制点的权重:1,1,1
·曲线的次数：2
·节点：0,1
·节点的重数：3,3
LC型：
·控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点
·控制点的权重:1,1,1
·曲线的次数：2
·节点：0,0.5,1
·节点的重数：3,3,3
CL型：
·控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点
·控制点的权重:1,1,1,1
·曲线的次数：2
·节点：0,0.5,1
·节点的重数：3,3,3
CC型：
·控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点
·控制点的权重:1,1,1,1
·曲线的次数：2
·节点：0,0.5,1
·节点的重数：3,1,3
以上即为本方案的全部核心技术内容。
本发明中，半衔接区域点选择1/2(向着衔接点延伸1/2衔接区域的半径长度)是一个经验数值，如果接近1，则曲线弯度太大，如果接近0，则衔接曲线离原始的目标点又会较远。这个数值可以在实践中根据需要进行调整。
基于同一发明构思，本发明的另一个实施例提供一种采用上述方法的生成工业机器人指令衔接路径的装置，其包括：
衔接曲线建立模块，用于建立连接前一条运动指令的衔接区域点和下一条运动指令的衔接区域点的光滑曲线，作为衔接曲线；
路径衔接模块，用于当机器人按照前一条运动指令的运动方向运动到离衔接点的距离小于衔接区域的半径时，使机器人按照衔接曲线向下一条运动指令的运动方向运动。
基于同一发明构思，本发明的另一实施例提供一种电子装置(计算机、服务器、智能手机等)，其包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行本发明方法中各步骤的指令。
基于同一发明构思，本发明的另一实施例提供一种计算机可读存储介质(如ROM/RAM、磁盘、光盘)，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被计算机执行时，实现本发明方法的各个步骤。
以上公开的本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种生成工业机器人指令衔接路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立连接前一条运动指令的衔接区域点和下一条运动指令的衔接区域点的光滑曲线，作为衔接曲线；
当机器人按照前一条运动指令的运动方向运动到离衔接点的距离小于衔接区域的半径时，机器人按照衔接曲线向下一条运动指令的运动方向运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衔接曲线满足以下要求：
衔接曲线的起点为前一条运动指令的衔接区域点，衔接曲线的终点为后一条运动指令的衔接区域点；
衔接曲线的起点处的切线方向平行于前一条运动指令的运动方向，衔接曲线的终点处的切线方向平行于后一条运动指令的运动方向；
衔接曲线不能超出衔接区域的范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用NURBS曲线生成所述衔接曲线；所述衔接曲线分成4类：
LL型，衔接MoveL和MoveL指令；
LC型，衔接MoveL和MoveC指令；
CL型，衔接MoveC和MoveL指令；
CC型，衔接MoveC和MoveC指令。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，LL型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：3个，分别为起始衔接区域点，衔接点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,1；
节点的重数：3,3。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，LC型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,0.5,1；
节点的重数：3,3,3。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，CL型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,0.5,1；
节点的重数：3,3,3。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，CC型的NURBS曲线按照以下5个要素生成：
控制点：4个，分别为起始衔接区域点，起始衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点的半衔接区域点，终到衔接区域点；
控制点的权重:1,1,1,1；
曲线的次数：2；
节点：0,0.5,1；
节点的重数：3,1,3。
8.一种采用权利要求1～7中任一权利要求所述方法的生成工业机器人指令衔接路径的装置，其特征在于，包括：
衔接曲线建立模块，用于建立连接前一条运动指令的衔接区域点和下一条运动指令的衔接区域点的光滑曲线，作为衔接曲线；
路径衔接模块，用于当机器人按照前一条运动指令的运动方向运动到离衔接点的距离小于衔接区域的半径时，使机器人按照衔接曲线向下一条运动指令的运动方向运动。
9.一种电子装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储计算机程序，所述计算机程序被配置为由所述处理器执行，所述计算机程序包括用于执行权利要求1～7中任一权利要求所述方法的指令。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序被计算机执行时，实现权利要求1～7中任一权利要求所述的方法。
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