CN114131613A - 一种基于s曲线的点动操作控制方法 - Google Patents

一种基于s曲线的点动操作控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于S曲线的点动操作控制方法。本发明所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法包括：启动示教器，解析机械臂配置文件；控制器周期性的检测示教器的点动按键的按键状态；所述控制器对Tcur进行检测；判断在当前Tcur时是否已进行S曲线轨迹规划；关节运动进入加速段、匀速段或减速段。本发明所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法具有机械冲击小和控制速度快的优点。

Description

一种基于S曲线的点动操作控制方法
技术领域
本发明涉及示教器控制领域，特别是涉及一种基于S曲线的点动操作控制方法。
背景技术
在工业机器人的应用中一般使用示教器对机器人进行示教，调整姿态和运行轨迹，使机器人可以精准地完成若干工作。机械臂的点动(jog)示教功能是指，示教器通过控制器与机械臂连接，用户使用机械臂示教器操作机械臂的关节到达用户期望的关节位置，此后用户可通过示教器和控制器记录机械臂的关节位置值供编程机械臂使用。如申请号为CN201811603477.3、名称为《一种控制机器人多轴运动的方法、装置及系统》的专利中提供了一种通过jog按键控制机器人多个运动轴的运动，然而该方案中机械冲击大，且需要多次进行轨迹运算，计算效率较低。而现有的S曲线规划中也缺少相应的点动操作控制，不便于对机器人进行调试。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种基于S曲线的点动操作控制方法，其具有机械冲击小和控制速度快的优点。
一种基于S曲线的点动操作控制方法，包括：
步骤S1、启动示教器，解析机械臂配置文件，得到S曲线轨迹规划所需的相关参数，包括运行距离S、最大速度Vmax、最大加速度amax和最大加加速度Jmax；
步骤S2、控制器周期性的检测示教器的点动按键的按键状态，若检测到按键为松开状态，点动按键按下时长Tcur停止自动计时并保持当前数值，此时判断关节速度vcur是否为零，若vcur为零则流程结束，若vcur不为零则跳转至步骤S6；若检测到按键为按下状态，Tcur开始自动计时，并进入步骤S3；
步骤S3、所述控制器对Tcur进行检测；
步骤S4、判断在当前Tcur时是否已进行S曲线轨迹规划，若未规划则根据所述步骤S1中的参数进行S曲线轨迹规划算法，所述S曲线轨迹规划算法将速度控制分为多个速度段，所述速度段包括加速段、匀速段和减速段，所述加速段依次包括加加速段、匀加速段和减加速段，所述减速段依次包括加减速段、匀减速段和减减速段，计算得到S曲线到达各个速度段的时间点，及所述关节能到达的最大速度vlim、能达到的最大加速度alima和完整的加加速段所用时间Tj，并回到步骤S2，若已规划则进入步骤S5；
步骤S5、关节运动进入加速段，控制器计算关节运动时间t并与所述步骤S4中的时间点进行比较，得到关节运动的状态并计算出目标关节位置，并回到步骤S2中；
步骤S6、当所述关节运动时间t小于t3时，t值不变，当所述关节运动时间t大于等于t3时，使t＝t3，所述t3为减加速段结束进入匀速段的时间点，接着控制所述t递减，其递减的速度与其在加速段递增的速度相同，将所述t与所述步骤S4中的时间点进行比较，得到关节运动的状态并计算出目标关节位置，并回到步骤S2中。
本发明所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，通过点动操作和S曲线轨迹规划相结合，减小点动操作过程中机械臂关节速度突变问题，减少机械冲击，能有效的降低对电机和机械臂本体机械结构的磨损。
进一步地，所述步骤S3中的检测为，当Tcur小于设定的间隔阈值时，则判断点动操作按下信号为无效信号，流程结束；当Tcur大于等于时，则进入步骤S4，所述Tstep为控制器的通信周期。从而实现点动按键的消抖功能，防止按键被误触碰。
进一步地，所述间隔阈值为nTstep。所述间隔阈值为周期的倍数，可根据实际情况进行调节。
进一步地，在步骤S4中，所述判断Tcur是否已进行S曲线轨迹规划为判断所述Tcur是否等于(n+1)Tstep，若是，则为未规划，若不是，则为已规划。通过判断Tcur的大小，实现在整个流程中只执行一次S曲线轨迹规划算法，避免传统控制方法中需要多次进行S曲线轨迹规划算法，减少点动过程中控制系统计算机资源的使用，提高代码的运行效率和提高控制器对数据的处理速度。
进一步地，在步骤S4中，所述减减速段、加减速段、减加速段所用时间和加加速段所用时间相等。所述相等提高控制过程的简便性。
进一步地，在步骤S5中，所述关节运动时间t＝Tcur-T0，所述T0等于机械臂开始运动时的Tcur。
进一步地，在所述步骤S5中，所述时间点的比较和计算出目标关节位置为：
当t大于或等于t3时，则关节运动从减加速段进入到匀速段，此时t不再随Tcur变化并保持t＝t3，计算出当前所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+vlim*Tstep，其中Jcur为当前关节位置，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t3时，判断t与t2的大小关系，当t大于或等于t2时，关节运动从匀加速段进入减加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+(vlim+Jmin*(t3-t)2/2)*Tstep，其中Jmin＝-Jmax，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t2时，判断t与t1的大小关系，当t大于或等于t1时，关节运动从加加速段进入到匀加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+alima*(t-tj/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t1时，关节运动进入加加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+Jmax*(t2/2)*Tstep，并将其发给电机伺服驱动执行；
之后回到步骤S2。
进一步地，在所述步骤S6中，所述时间点的比较和计算出目标关节位置为：
判断t是否等于t3，当t等于t3成立时，则关节运动从匀速段依次经加减速段、匀减速段和减减速段直到停止；
当t等于t3不成立时，判断t是否大于等于t2；
当t大于等于t2成立时，则关节运动进入加减速段；
当t大于等于t2不成立时，判断t是否大于等于t1；
当t大于等于t1成立时，则关节运动进入匀减速段；
当t大于等于t1不成立时，则关节运动进入减减速段；
当关节运动从匀速段进入到加减速段，计算出当前所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+(vlim+Jmin*(t3-t)2/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当关节运动从加减速段进入到匀减速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+alima*(t-tj/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当关节运动从匀减速段进入到减减速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+Jmax*(t2/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
之后回到步骤S2中。
进一步地，当执行所述流程结束时，Tcur归零。
进一步地，当点动按键为松开状态时，按键状态key＝0；当点动按键为按下状态时，按键状态key＝1。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明所述基于S曲线的点动操作控制方法的流程图；
图2为本发明所述方法规划后轨迹经过加加速段和减减速段的时间-速度曲线示意图；
图3为本发明所述方法规划后轨迹经过加加速段、匀加速段、匀减速段和减减速段的时间-速度曲线示意图；
图4为本发明所述方法规划后轨迹经过加加速段、匀加速段、减加速段、加减速段、匀减速段和减减速段的时间-速度曲线示意图；
图5为本发明所述方法规划后轨迹经过加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段的时间-速度曲线示意图。
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明所述基于S曲线的点动操作控制方法的流程图。本发明所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其步骤包括：
步骤S1、启动示教器，解析机械臂配置文件，得到S曲线轨迹规划的运行距离S、最大速度Vmax、最大加速度amax和最大加加速度Jmax等相关参数。这四个参数关系到机械臂关节点动过程中关节速度的轨迹变化和轨迹能达到的最大速度。
步骤S2、控制器周期性的检测示教器的点动按键的按键状态；设定控制器的通信周期为一固定值，用Tstep表示。
若检测到按键状态key＝0时，即点动按键为松开状态，点动按键按下时长Tcur停止自动计时并保持当前数值，此时判断关节速度vcur是否为零，若vcur为零则流程结束，Tcur归零，若vcur不为零则跳转至步骤S6；
若检测到按键状态key＝1时，即点动按键为按下状态，点动按键按下时长Tcur开始自动计时，并进入步骤S3。
步骤S3、所述控制器对Tcur进行检测，n为周期数，当Tcur小于设定的间隔阈值nTstep时，则判断点动操作按下信号为无效信号，流程结束，Tcur归零；当Tcur大于等于nTstep时，则进入步骤S4。该步骤可通过设置间隔阈值实现按键消抖，防止按键误触。
步骤S4、判断所述Tcur是否等于(n+1)Tstep。
若是，则根据所述步骤S1中的参数进行S曲线轨迹规划算法，得到到达各个速度段的时间点t0～t7，其中：
t0为关节开始运行进入加加速段的时间点；
t1为加加速段结束进入匀加速段的时间点；
t2为匀加速段结束进入减加速段的时间点；
t3为减加速段结束进入匀速段的时间点；
t4为匀速段结束进入加减速段的时间点；
t5为加减速段结束进入匀减速段的时间点；
t6为匀减速段结束进入减减速段的时间点；
t7为关节停止运行的时间点；
及所述关节能到达的最大速度vlim、能达到的最大加速度alima，完整的加加速段所用时间Tj等数据，并回到步骤S2中(通常情况下，减减速段、加减速段、减减速段所用时间和加加速段所用时间一样，匀加速段所用时间和匀减速段相等)；
若所述Tcur大于(n+1)Tstep，则进入步骤S5，设T0等于机械臂开始运动时的Tcur。
步骤S5、控制器计算关节运动时间t＝Tcur-T0并与所述步骤S4中的时间点进行比较。
当t大于或等于t3时，则关节运动从减加速段进入到匀速段，此时t不再随Tcur变化并保持t＝t3，计算出当前所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+vlim*Tstep，其中Jcur为当前关节位置，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t3时，判断t与t2的大小关系，当t大于或等于t2时，关节运动从匀加速段进入减加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+(vlim+Jmin*(t3-t)2/2)*Tstep，其中Jmin＝-Jmax，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t2时，判断t与t1的大小关系，当t大于或等于t1时，关节运动从加加速段进入到匀加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+alima*(t-tj/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t1时，关节运动进入加加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+Jmax*(t2/2)*Tstep，并将其发给电机伺服驱动执行；
之后回到步骤S2。
步骤S6、当所述关节运动时间t小于t3时，t值不变，当所述关节运动时间t大于等于t3时，使t＝t3，控制所述t递减并与所述步骤S4中的时间点进行比较，所述t递减的速度与其在加速段递增的速度相同；
判断t是否等于t3，当t等于t3成立时，则关节运动从匀速段进入加减速段；
当t等于t3不成立时，判断t是否大于等于t2；
当t大于等于t2成立时，则关节运动进入加减速段；
当t大于等于t2不成立时，判断t是否大于等于t1；
当t大于等于t1成立时，则关节运动进入匀减速段；
当t大于等于t1不成立时，则关节运动进入减减速段；
当关节运动从匀速段进入到加减速段，计算出当前所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+(vlim+Jmin*(t3-t)2/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当关节运动从加减速段进入到匀减速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+alima*(t-tj/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当关节运动从匀减速段进入到减减速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+Jmax*(t2/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
之后回到步骤S2中。
本方案在实施过程中，规划的曲线有多种情况：
请参阅图2，所述曲线依次经过加加速段和减减速段直到停止；
请参阅图3，所述曲线依次经过加加速段、匀加速段、匀减速段和减减速段直到停止；
请参阅图4，所述曲线依次经过加加速段、匀加速段、减加速段、加减速段、匀减速段和减减速段直到停止；
请参阅图5，所述曲线依次经过加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段和减减速段直到停止，在该情况下，曲线由匀速段进入加减速段的时间t4实际受点动按键影响。
本发明所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，S曲线轨迹规划算法在流程中只执行一次，无需根据实际曲线进行多次轨迹运算，减少点动过程中控制系统计算机资源的使用，提高代码的运行效率和提高控制器对数据的处理速度。通过点动操作和S曲线轨迹规划相结合，减小点动操作过程中机械臂关节速度突变问题，减少机械冲击，能有效的降低对电机和机械臂本体机械结构的磨损。同时，实现点动按键的消抖功能，防止按键被误触碰。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1、启动示教器，解析机械臂配置文件，得到S曲线轨迹规划所需的相关参数，包括运行距离S、最大速度Vmax、最大加速度amax和最大加加速度Jmax；
步骤S2、控制器周期性的检测示教器的点动按键的按键状态，若检测到按键为松开状态，点动按键按下时长Tcur停止自动计时并保持当前数值，此时判断关节速度vcur是否为零，若vcur为零则流程结束，若vcur不为零则跳转至步骤S6；若检测到按键为按下状态，Tcur开始自动计时，并进入步骤S3；
步骤S3、所述控制器对Tcur进行检测；
步骤S4、判断在当前Tcur时是否已进行S曲线轨迹规划，若未规划则根据所述步骤S1中的参数进行S曲线轨迹规划算法，所述S曲线轨迹规划算法将速度控制分为多个速度段，所述速度段包括加速段、匀速段和减速段，所述加速段依次包括加加速段、匀加速段和减加速段，所述减速段依次包括加减速段、匀减速段和减减速段，计算得到S曲线到达各个速度段的时间点，及所述关节能到达的最大速度vlim、能达到的最大加速度alima和完整的加加速段所用时间Tj，并回到步骤S2，若已规划则进入步骤S5；
步骤S5、关节运动进入加速段，控制器计算关节运动时间t并与所述步骤S4中的时间点进行比较，得到关节运动的状态并计算出目标关节位置，并回到步骤S2中；
步骤S6、当所述关节运动时间t小于t3时，t值不变，当所述关节运动时间t大于等于t3时，使t＝t3，所述t3为减加速段结束进入匀速段的时间点，接着控制所述t递减，其递减的速度与其在加速段递增的速度相同，将所述t与所述步骤S4中的时间点进行比较，得到关节运动的状态并计算出目标关节位置，并回到步骤S2中。
2.根据权利要求1所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于：所述步骤S3中的检测为，当Tcur小于设定的间隔阈值时，则判断点动操作按下信号为无效信号，流程结束；当Tcur大于等于时，则进入步骤S4，所述Tstep为控制器的通信周期。
3.根据权利要求2所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于：所述间隔阈值为nTstep。
4.根据权利要求3所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于：在步骤S4中，所述判断Tcur是否已进行S曲线轨迹规划为判断所述Tcur是否等于(n+1)Tstep，若是，则为未规划，若不是，则为已规划。
5.根据权利要求4所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于：在步骤S4中，所述减减速段、加减速段、减加速段所用时间和加加速段所用时间相等。
6.根据权利要求5所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于：在步骤S5中，所述关节运动时间t＝Tcur-T0，所述T0等于机械臂开始运动时的Tcur。
7.根据权利要求6所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述时间点的比较和计算出目标关节位置为：
当t大于或等于t3时，则关节运动从减加速段进入到匀速段，此时t不再随Tcur变化并保持t＝t3，计算出当前所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+vlim*Tstep，其中Jcur为当前关节位置，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t3时，判断t与t2的大小关系，当t大于或等于t2时，关节运动从匀加速段进入减加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+(vlim+Jmin*(t3-t)2/2)*Tstep，其中Jmin＝-Jmax，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t2时，判断t与t1的大小关系，当t大于或等于t1时，关节运动从加加速段进入到匀加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+alima*(t-tj/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当t小于t1时，关节运动进入加加速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+Jmax*(t2/2)*Tstep，并将其发给电机伺服驱动执行；
之后回到步骤S2。
8.根据权利要求7所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述时间点的比较和计算出目标关节位置为：
判断t是否等于t3，当t等于t3成立时，则关节运动从匀速段进入加减速段；
当t等于t3不成立时，判断t是否大于等于t2；
当t大于等于t2成立时，则关节运动进入加减速段；
当t大于等于t2不成立时，判断t是否大于等于t1；
当t大于等于t1成立时，则关节运动进入匀减速段；
当t大于等于t1不成立时，则关节运动进入减减速段；
当关节运动从匀速段进入到加减速段，计算出当前所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+(vlim+Jmin*(t3-t)2/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当关节运动从加减速段进入到匀减速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+alima*(t-tj/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
当关节运动从匀减速段进入到减减速段，计算出当前周期所需执行的目标关节位置Jgoal＝Jcur+Jmax*(t2/2)*Tstep，并将Jgoal发给电机伺服驱动执行；
之后回到步骤S2中。
9.根据权利要求1所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于：当执行所述流程结束时，Tcur归零。
10.根据权利要求1所述的一种基于S曲线的点动操作控制方法，其特征在于：当点动按键为松开状态时，按键状态key＝0；当点动按键为按下状态时，按键状态key＝1。
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