CN115179299A - 一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法及装置，所述方法包括：获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标；在所述每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对所述每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间；在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标对所述每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得所述每个轴在所述关节空间的轨迹。本发明技术方案适合各种通用轴在关节空间的轨迹规划，在多轴设备每个轴地服从运动学的约束条件下使每个轴同步运行，从而提高了多轴设备整体的运行性能。

Description

一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法及装置

技术领域

本发明涉及运动控制相关技术领域，尤其涉及一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法及装置。

背景技术

机器人为一种多轴设备，常常分为几个轴进行单独进给，实际的运动轨迹是几个轴的合运动，在轨迹规划过程中，必须要保证各轴在同一时间点到达指定位置。

运动学正解是指给定各轴在各自关节空间的坐标，计算出机器人的末端位姿。运动学逆解是指已知机器人末端位姿，求解机械人各轴在各自的关节空间的位置，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。运动学模型的逆解方法有三种，一种是以解析的方式求各轴在各自关节空间的坐标，另一种以数值迭代(其本质为最优化的过程，求出方程的特解，不能求出所有的解)的方式，最后一种是几何法，只针对一些结构比较简单的机器人。

现有技术在进行多轴设备的轨迹规划时，有的技术方案分别给定速度规划器的加速时间、匀速时间、减速时间，各轴均按此给定时间进行加速、匀速和减速来达到多轴同步的目的，但这种方法未考虑运动约束，因此，往往导致有些轴不能满足运动约束条件或满足了约束条件但造成了运动时间的浪费；有的技术方案选取时间最长轴作为基准轴，其余轴均按基准轴的时间进行加速、匀速和减速运动来实现多轴同步，但这种方法仍只能保证基准轴满足运动约束条件，无法保证其余轴是否满足；还有的技术方案在所有加速时间、所有匀速时间、所有减速时间中分别选择最长加速时间、最长匀速时间、最长减速时间作为各轴最终的加速时间、匀速时间和减速时间，按照此时间进行加速、匀速和减速运动来实现多轴同步，但这种方法往往会造成运动时间的浪费，降低了机器人的工作效率。总之，现有技术在进行多轴设备的轨迹规划时，无法既能满足运动约束条件又能使多轴设备发挥最佳性能。

因此，需要一种轨迹规划方法在进行多轴设备的轨迹规划时，既能满足运动约束条件又能使整个多轴设备的各个轴同步运行，提高了多轴设备的运行性能。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法及装置，所述方法包括：获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标；在所述每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对所述每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间；在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标对所述每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得所述每个轴在所述关节空间的轨迹。本发明技术方案适合各种通用轴在关节空间的轨迹规划，在多轴设备每个轴地服从运动学的约束条件下使每个轴同步运行，从而提高了多轴设备整体的运行性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法，包括：获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标，多轴设备的每个轴为所述关节空间的一个维度；在所述每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对所述每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间，其中，一个关节节点的同步时间为所述每个轴同时到达该关节节点的时间；在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标对所述每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得所述每个轴在所述关节空间的轨迹。

由上，相对于现有技术的轨迹规划只在整体运行时间的同步或每个速度变化阶段的时间同步，本发明实施例的技术方案通过在多轴设备每个轴的运行都服从运动学的约束条件下使每个轴同步运行，提高了多轴设备的运行性能，且适合各种通用轴在关节空间的轨迹规划。

在第一方面的一种可能的实施方式中，所述第一次轨迹规划，包括：根据所述坐标获得所述每个轴的拐点，一个轴的拐点为在所述关节空间中在该轴对应的坐标维度上速度为0的关节节点；在所述运动学约束条件下，通过速度规划对每个轴在每两个相邻拐点之间的轨迹进行规划，获得所述规划时间。

由上，第一次轨迹规划通过各轴在运动学约束条件下自行规划，从而使每个轴运动性能最佳。

在第一方面的一种可能的实施方式中，所述据此获得个关节节点的同步时间，包括：根据所述规划时间，获得在第一次轨迹规划的轨迹中所述每个轴在每两个相邻关节节点之间的运行时长；对于任意两个相邻关节节点，对比每个轴在该两个相邻关节节点之间的所述运行时长，选择其中最长的所述运行时长作为在该两个相邻关节节点之间的同步时长；根据所述同步时长获得所述同步时间，其中，一个关节节点的同步时间为在该关节节点的上个相邻关节节点的同步时间上叠加在这两个相邻关节节点之间的同步时长。

由上，对于任意两个相邻关节节点之间选择从各轴的运行时间中选择最长运行时间为该两个相邻关节节点之间的同步时长，该同步时长使各轴均满足运动学约束条件，且通过使最受限的轴(即运行时间最长的轴)的运动性能最佳实现多轴设备整体运行性能最佳。

在第一方面的一种可能的实施方式中，所述第二次轨迹规划包括：在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标通过速度规划分别对每个轴的每两个相邻拐点之间的轨迹进行规划，且在规划过程中以各个轴在每个关节节点的速度、加速度或加加速度连续为收敛条件。

由上，相对于现有技术的轨迹规划只实现速度和加速度连续，本发明第二次轨迹规划增加了加加速度均连续，降低各轴的振动。

在第一方面的一种可能的实施方式中，所述第二次轨迹规划还包括：当经过设定时间的第二次轨迹规划时还存在某个轴在某一关节节点的速度或加速度或加加速度不连续时，通过平滑滤波使每个轴在每个关节节点的速度、加速度和加加速度的连续。

由上，在第二次轨迹规划时通过设定时间的规划与滤波结合，既实现了规划的精度，还提高了每个轴在每个关节节点的速度、加速度和加加速度的连续性，同时提高了规划的时效。

在第一方面的一种可能的实施方式中，在所述速度规划时使用时间余弦为基函数的表达式表示每个轴在所述关节空间的坐标与时间的关系。

由上，速度规划通过用时间余弦为基函数的表达式表示速度，无需划定各个速度变化节点的时间，提高了规划的准确性。

在第一方面的一种可能的实施方式中，所述运动学约束条件包括每个轴的最大允许速度、最大允许加速度或最大允许加加速度。

由上，在第一次轨迹规划时各轴遵从各自的运动学约束条件，便于在规划中各轴的轨迹达到自身的最佳性能，在第二次轨迹规划时各轴在时间同步的基础上遵从各自的运动学约束条件规划，使多轴设备整体的运行性能达到提高。

第二方面，本发明实施例提供了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划装置，包括：获取模块、时间同步模块和速度匹配模块；所述获取模块用于获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标，多轴设备的每个轴为所述关节空间的一个维度；所述时间同步模块用于在所述每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对所述每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间，其中，一个关节节点的同步时间为所述每个轴同时到达该关节节点的时间；所述速度匹配模块用于在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标对所述每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得所述每个轴在所述关节空间的轨迹。

由上，相对于现有技术的轨迹规划只在整体运行时间的同步或每个速度变化阶段的时间同步，本发明实施例的技术方案通过在多轴设备每个轴的运行都服从运动学的约束条件下使每个轴同步运行，提高了多轴设备的运行性能，且适合各种通用轴在关节空间的轨迹规划。

在第二方面的一种可能的实施方式中，时间同步模块在进行第一次轨迹规划时，具体包括：根据所述坐标获得所述每个轴的拐点，一个轴的拐点为在所述关节空间中在该轴对应的坐标维度上速度为0的关节节点；在所述运动学约束条件下，通过速度规划对每个轴在每两个相邻拐点之间的轨迹进行规划，获得所述规划时间。

由上，第一次轨迹规划通过各轴在运动学约束条件下自行规划，从而使每个轴运动性能最佳。

在第二方面的一种可能的实施方式中，时间同步模块在获得各关节节点的同步时间时，具体包括：根据所述规划时间，获得在第一次轨迹规划的轨迹中所述每个轴在每两个相邻关节节点之间的运行时长；对于任意两个相邻关节节点，对比每个轴在该两个相邻关节节点之间的所述运行时长，选择其中最长的所述运行时长作为在该两个相邻关节节点之间的同步时长；根据所述同步时长获得所述同步时间，其中，一个关节节点的同步时间为在该关节节点的上个相邻关节节点的同步时间上叠加在这两个相邻关节节点之间的同步时长。

由上，对于任意两个相邻关节节点之间选择从各轴的运行时间中选择最长运行时间为该两个相邻关节节点之间的同步时长，该同步时长使各轴均满足运动学约束条件，且通过使最受限的轴(即运行时间最长的轴)的运动性能最佳实现多轴设备整体运行性能最佳。

在第二方面的一种可能的实施方式中，速度匹配模块在进行第二次轨迹规划时，具体包括：在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标通过速度规划分别对每个轴的每两个相邻拐点之间的轨迹进行规划，且在规划过程中以各个轴在每个关节节点的速度、加速度或加加速度连续为收敛条件。

由上，相对于现有技术的轨迹规划只实现速度和加速度连续，本发明第二次轨迹规划增加了加加速度均连续，降低各轴的振动。

又由上，相对于现有技术的轨迹规划只实现速度和加速度连续，本发明第二次轨迹规划增加了加加速度均连续，降低各轴的振动。

在第二方面的一种可能的实施方式中，速度匹配模块在进行第二次轨迹规划时，还具体包括：当经过设定时间的第二次轨迹规划时还存在某个轴在某一关节节点的速度或加速度或加加速度不连续时，通过平滑滤波使每个轴在每个关节节点的速度、加速度和加加速度的连续。

由上，在第二次轨迹规划时通过设定时间的规划与滤波结合，既实现了规划的精度，还提高了每个轴在每个关节节点的速度、加速度和加加速度的连续性，同时提高了规划的时效。

在第二方面的一种可能的实施方式中，在第一方面的一种可能的实施方式中，在所述速度规划时使用时间余弦为基函数的表达式表示每个轴在所述关节空间的坐标与时间的关系。

由上，速度规划通过用时间余弦为基函数的表达式表示速度，无需划定各个速度变化节点的时间，提高了规划的准确性。

在第二方面的一种可能的实施方式中，所述运动学约束条件包括每个轴的最大允许速度、最大允许加速度或最大允许加加速度。

由上，在第一次轨迹规划时各轴遵从各自的运动学约束条件，便于在规划中各轴的轨迹达到自身的最佳性能，在第二次轨迹规划时各轴在时间同步的基础上遵从各自的运动学约束条件规划，使多轴设备整体的运行性能达到提高。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，包括，

总线；

通信接口，其与所述总线连接；

至少一个处理器，其与所述总线连接；以及

至少一个存储器，其与所述总线连接并存储有程序指令，所述程序指令当被所述至少一个处理器执行时使得所述至少一个处理器执行本发明第一方面任一所述实施方式。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令当被计算机执行时使得所述计算机执行申请第一方面任一所述实施方式。

附图说明

图1为本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的流程示意图；

图2为本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的流程示意图；

图3为本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二同步时间确定方法的流程示意图；

图4为本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的速度匹配方法的流程示意图；

图5为本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划装置实施例一的结构示意图；

图6为本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划装置实施例二的结构示意图；

图7为本发明各实施例的一种计算设备的结构示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。

在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三等”或模块A、模块B、模块C等，仅用于区别类似的对象，或用于区别不同的实施例，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。

笛卡尔空间、笛卡尔空间坐标：笛卡尔空间为直角坐标空间，笛卡尔空间的坐标为位姿，包括位置坐标和姿态坐标，位置坐标为三维直角坐标，姿态坐标为物体当前位置相对于三维直角坐标的旋转角度，示意地，可以用欧拉角度的三个角度坐标表示姿态。

关节空间、关节空间坐标：关节空间为多轴设备的每个轴的运动空间，每个轴为关节空间的一维，每个轴都是通用轴，可以为平移或旋转。关节空间坐标为轴的位移或旋转角度。

轨迹：为运动物体的坐标与时间关系，笛卡尔空间轨迹为笛卡尔空间坐标与时间的关系，关节空间轨迹为关节空间坐标与时间的关系。

运动学约束条件：包括最大允许速度、最大允许加速度、最大允许加加速度。运动学约束条件对具体的轴而言，是轴的关节空间的约束条件。当一个轴为平移轴，其运动学约束条件为位移方面的最大允许速度、最大允许加速度、最大允许加加速度；当一个轴为旋转轴，其运动学约束条件为转动方面的最大允许速度、最大允许加速度、最大允许加加速度。

速度规划器：运动物体的轨迹和速度规划的装置，通过轨迹插补法规划物体的速度和轨迹，在速度规划时保持各点的速度连续和加速度连续，且服从运动学约束条件。速度规划器既可以对笛卡尔空间的轨迹进行规划，也可以对关节空间的轨迹进行规划。规划时把速度描述为时间的表达式，例如，以时间为基的多项式。

本发明的实施例的技术方案包括：获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标，在每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对每个轴分别进行二次轨迹规划，第一次轨迹规划确定每个关节节点的同步时间，第二次轨迹规划实现匹配同步时间的每个轴的运动速度，并获得在关节空间最终的轨迹。本发明各实施例的技术方案适合各种通用轴在关节空间的轨迹规划，在多轴设备每个轴地服从运动学的约束条件下使每个轴同步运行，从而提高了多轴设备整体的运行性能。在一些实施例中还通过各轴在关节节点的加加速度连续，对各轴的驱动电机进行抑振，减小各轴的振动。

下面结合附图介绍本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例、装置实施例和其他相关实施例。

本发明中多轴设备具有多个轴，可以为机械人、机床。其轨迹节点为多轴设备末端在笛卡尔空间的关键点；多轴设备末端可以为多轴设备对外操作部位，如机械人的手指、机床的刀具、塔吊的机械臂等；多轴设备的关节节点为多轴设备末端到达轨迹节点时多轴设备各个轴在关节空间中到达的点。

下面首先结合附图1至图4介绍一种多轴设备的关节空间轨迹的各规划方法实施例。

一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一包括：获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标；在每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间；在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标对每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得每个轴在关节空间的轨迹。本方法实施例一适合各种通用轴在关节空间的轨迹规划，在多轴设备每个轴地服从运动学的约束条件下使每个轴同步运行，从而提高了多轴设备整体的运行性能。

图1示出了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的流程，包括步骤S110至S130。

S110：获取的各个关节节点在关节空间的坐标，多轴设备的每个轴为所述关节空间的一个维度。

示意地，关节空间的关节节点坐标组成一个N*M维的矩阵，N表示N个关节节点，M表示M个轴。

其中，关节节点在关节空间的坐标可以根据多轴设备末端的位姿通过运动学逆解获得。在一些实施例中多轴设备末端的位姿通过多轴设备末端的轨迹规划获得。

其中，多轴设备的轴为通用轴，包括平移轴和/或旋转轴。示意地，平移轴，如气缸的轴，其节点坐标为平移的位移，旋转轴，如电机的轴，其节点坐标为旋转的角度。

其中，运动学约束条件用于对在各个轴的轨迹进行约束，每个轴具有对应的运动学约束条件。本发明各实施例在后续的第一轨迹规划和第二次轨迹规划都运动学约束条件。

其中，采样周期为本发明各实施例描述时间的粒度。示例地，采样周期轴的驱动脉冲周期。

S120：在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标对每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间。

其中，一个关节节点的同步时间每个轴同时到达该关节节点的时间，即在一个关节节点的同步时间各个轴同步到达该关节节点的坐标表示各个轴的位置。

其中，运动学约束条件用于对在各个轴的轨迹进行约束，每个轴具有对应的运动学约束条件。本发明各实施例在后续的第一轨迹规划和第二次轨迹规划都遵从该运动学约束条件。

其中，第一次轨迹规划时，通过速度规划器进行速度规划获得各关节节点的坐标与时间的关系，从而完成第一次轨迹规划，速度规划器描述每个维度的速度与时间的关系可以用S形曲线即S形加减速对速度进行规划，也可以用根据其他形状线如梯形线对速度进行规划。速度规划器可以利用时间为基的多项式描述速度与时间的关系，也可以利用时间的余弦函数为基的表达式描述速度与时间的关系。

其中，因为轨迹描述了关节空间的坐标与时间的关系，根据第一次轨迹规划所获得的轨迹，可以获得每个轴到达各关节节点的规划时间。对于任意两个相邻关节节点，用一个轴到达这两个相邻关节节点中后一个关节节点的规划时间减去该轴到达这两个相邻关节节点中前一个关节节点的规划时间，获得该轴在这两个相邻关节节点之间的运行时长。

其中，对于任意两个相邻关节节点，对比每个轴在该两个相邻关节节点之间的运行时长，选择其中最长的运行时长为多轴设备各轴在该两个相邻关节节点之间的同步时长。根据该同步时长获得多轴设备末端到达每个关节节点的同步时间，一个关节节点的同步时间为在该关节节点的上个相邻关节节点的同步时间上叠加在这两个相邻关节节点之间的同步时长。

S130：在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标和同步时间对每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得每个轴在关节空间的轨迹。

其中，每个轴在关节空间的轨迹组成多轴设备在关节空间的轨迹。

其中，第二次轨迹规划利用步骤S120中介绍的速度规划器对每个轴关节空间轨迹进行第二次轨迹规划，规划时还遵从以下条件：1)在规划过程中每个轴到达每个关节节点的时间为对应的同步时间；2)每个轴在各关节节点的速度、加速度或加加速度连续。

其中，为实现各个轴在每个关节节点的速度、加速度或加加速度连续，在一些实施例中，通过增加规划时间经过足够多次数的前瞻速度规划的迭代来实现，在另一些实施例中，通过前瞻速度规划的多次迭代和滤波综合实现。

综上，一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一在每个轴的运动学约束条件下，根据多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标对每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间，在根据所述同步时间和所述坐标对每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得每个轴在关节空间的轨迹。本方法实施例一适合各种通用轴在关节空间的轨迹规划，在多轴设备每个轴地服从运动学的约束条件下使每个轴同步运行，从而提高了多轴设备整体的运行性能。

下面首先结合附图2至图4介绍一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二。

一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二在一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的基础上，第一次轨迹规划时通过在每两个相邻节点之间选择运行时长最长的轴的运行时间为同步时间使至少一个轴的运动性能最佳，在第二次轨迹规划时通过设定时长的第二次轨迹规划加滤波的方法不仅实现各个轴到达每个关节节点的速度、加速度或加加速度连续，而且规划效率高，且在两次轨迹规划过程中均选择以时间余弦为基函数的表达式描述速度，进一步提高了规划的精度。

图2示出了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的流程，包括步骤S210至S240。

S210：获取多轴设备末端的路径节点的位姿、运动学约束条件和计算时间颗粒度。

其中，路径节点为多轴设备末端在笛卡尔空间的运行路径中若干的关键点，用于规划多轴设备末端在笛卡尔空间的轨迹。路径节点根据实际场景的多轴设备末端的关键位置获取。

其中，计算时间颗粒度为轨迹规划时的采用最小时间间隔，该颗粒度越小，则计算出的轨迹越平滑，但计算量也越大，一般以轴的驱动脉冲周期为采样周期。

其中，运动学约束条件请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的步骤S110中的描述。

S220：根据路径节点的位姿规划多轴设备末端在笛卡尔空间的轨迹，并通过运动学逆解获得多轴设备的关节节点在关节空间中的坐标。

其中，根据多轴设备末端的路径节点的位姿规划多轴设备末端在笛卡尔空间的轨迹，在一些实施例中通过笛卡尔空间的路径规划加轨迹规划两步实现，在另一些实施例中通过笛卡尔空间的轨迹规划一步实现，本实施例中不受限。

其中，关节空间的关节节点对应笛卡尔空间轨迹上的轨迹节点，轨迹节点为笛卡尔空间轨迹上的关键点，其确定笛卡尔空间轨迹的趋势。

其中，通过运动学逆解获得各关节节点在关节空间的坐标，运动学逆解方法包括解析法、迭代法和几何法，在本实施例中不受限。

其中，此时获得的各关节节点在关节空间的坐标可以为一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的步骤S110所获取。

S230：在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标对每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间。

其中，本步骤在一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的步骤S120的基础上，通过保持各个轴拐点速度为0进行分段规划提高每个轴的规划精度，同时速度规划器根据S形曲线即S形加减速对速度进行规划，且利用时间的余弦函数为基的表达式描述速度与时间的关系，进一步提高规划精度。

其中，本步骤的详细方法请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的同步时间确定方法，这里不再详述。

S240：在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标和同步时间对每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得每个轴在关节空间的轨迹。

其中，本步骤在一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的步骤S120的基础上，还通过滤波提高每个轴在各关节节点的速度、加速度和加加速度的连续，且同利用时间的余弦函数为基的表达式描述速度与时间的关系。

其中，本步骤的详细方法请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的速度匹配方法，这里不再详述。

图3示出了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的同步时间确定方法流程，即步骤230包括步骤S2310至S2350。

S2310：根据各关节节点的坐标，获得每个轴的拐点。

其中，一个轴的拐点为该轴在关节空间速度中为零的点，是该轴正向运行和反向运动的转折点，也称为锚点。通过分析每个轴的各关节节点之间的坐标变化可以获得改轴的拐点，获得的方法包括微分法、对比法等。

其中，一个轴的拐点也包括该轴的第一个和最后一个关节节点，在这两个关节节点，关节空间的速度也为0。

S2320：在运动学约束条件下利用速度规划器对每个轴的每两个相邻拐点之间的关节空间轨迹进行第一次轨迹规划，获得每个轴到达每个关节节点的规划时间。

其中，在第一次轨迹规划过程中每个轴的规划分别进行，且通过速率规划器对每个轴的每两个相邻拐点之间的速度进行规划，从而获得每个轴的每两个相邻拐点之间的轨迹。在按拐点分段规划时，保持每个轴在每个拐点的速度为0。

其中，在速度规划的过程中，在运动学约束条件下利用S形曲线进行规划，且速度与时间的关系用为时间余弦为基函数的表达式来表达，该表达式可以是时间余弦为基函数的多项式，也可以是其他形式。

由上，采用为时间余弦为基函数的表达式的速度规划器自动按照S形曲线进行规划，不需要人为预先设置S形曲线基于时间的分段，例如，不需要人工设置增大加速度、匀加速、减小加速度、匀速、加增大减速度，均减速、减小减速度等各时间段的时间，规划轨迹更加准确，各轴的运动性能在运动学约束下达到最佳。

S2330：根据每个轴到达每个关节节点的规划时间，获得每个轴在每两个相邻关节节点之间的运行时长。

其中，在一次轨迹规划时各轴的运动性能在运动学约束下达到最佳，根据每个轴到达每个关节节点的时间确定的每个轴在每两个相邻关节节点之间的运行时长也是每个轴能的最佳运行时间。

S2340：对于任意两个相邻关节节点，对比每个轴的在该两个相邻关节节点之间的运行时长，选择最长的运行时长为该两个相邻关节节点之间的同步时长。

由上，通过上述方法确定的任意两个相邻关节节点之间的同步时长，使至少存在一个轴在该两个相邻关节节点之间性能达到最佳，从而使在运动学约束条件下整个多轴设备在该两个相邻关节节点之间性能达到最佳，因为此时再缩短整个多轴设备在该两个相邻关节节点之间的运行时长时，都会使其中一个轴超过了其运动学约束条件。

S2350：根据所确定的同步时长依次获得每个关节节点的同步时间。

其中，一个关节节点的同步时间为在该关节节点的上个相邻关节节点的同步时间上叠加在这两个相邻关节节点之间的同步时长。

示意地，设第一关节节点即起始点的时间为t,因为各轴的起始时间相同，t也可以认为是第一关节节点的同步时间，后续在t的基础上依次叠加与下一关节节点之间的同步时长，从而依次获得每个关节节点的同步时间。

由上，根据所确定的同步时间，多轴设备的各个轴同时到达指定位置，且遵从运动学约束条件，同时运行性能达到最优。

图4示出了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的速度匹配方法的流程，即步骤240包括步骤S2410至S2440。

其中，多轴设备的每个轴分别运行本实施例各步骤进行规划，为了描述方便，把当前正在进行规划的轴称为规划轴。

S2410：在运动学约束条件下，根据每个关节节点的坐标和同步时间，利用速度规划器对规划轴的每两个相邻拐点之间的关节空间轨迹进行第二次轨迹规划，获得规划轴在每个关节节点的速度、加速度和加加速度。

其中，在第二次轨迹规划中规划轴到达任一个关节节点的时间为该关节节点的同步时间，实现多轴设备各个轴的速度之间匹配，即根据各个轴匹配后的速度(也就是第二次轨迹规划后的速度)各轴同步到达每个关节节点，更加详细的描述为各轴同步到达每个关节节点中各个轴各自维度对应的坐标处。且在第二次轨迹规划中以规划轴在每个关节节点在关节空间的速度、加速度或加加速度连续为规划收敛条件。

其中，在规划过程中同样保持规划轴拐点在关节空间的速度为0，在运动学约束条件下利用S形曲线进行规划。

其中，规划时速度与时间的关系用为时间余弦为基函数的表达式来表达，该表达式可以是时间余弦为基函数的多项式，也可以是其他形式。

由上，采用为时间余弦为基函数的表达式的速度规划器自动按照S形曲线进行规划，不需要人为预先设置S形曲线基于时间的分段，提高了第二次轨迹规划的准确性。

又由上，现对于现有技术只实现速度和加速度连续，本实施例又增加了加加速度连续，抑制了各个轴的振动问题。

S2420：经过设定的二次轨迹规划时间后判断规划轴是否存在跳变关节节点。

其中，如果存在，则运行步骤S2430，否则运行步骤S2440。

其中，一个轴的跳动关节节点为该轴在该关节节点的速度或加速度或加加速度不连续。

其中，第二次轨迹规划包括多轮前瞻速度规划，每轮前瞻速度规划通过选择多个前向插补点利用前向和/或反向搜索的方法进行复杂的速度规划计算，计算量大，为了保住运行的时效，需要对第二次轨迹规划设定时长。

S2430：通过滤波使规划轴的跳变关节节点的速度、加速度和加加速度的连续。

其中，滤波的方法包括多项式滤波或者平均值滤波等。

由上，通过增加滤波的方法控制了第二次轨迹规划的时长，满足实际场景的时效需求，又提高每个轴在关节节点的速度、加速度和加加速度的连续性。

S2440：输出当前规划的轨迹作为多轴设备的规划轴的关节空间轨迹。

其中，完成多轴设备当前的规划轴的关节空间轨迹规划后，又选择下一个未规划的轴作为规划轴继续规划。

综上，一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二在一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的基础上，第一次轨迹规划时通过在每两个相邻节点之间选择运行时长最长的轴的运行时间为同步时间使至少一个轴的运动性能最佳，在第二次轨迹规划时通过设定时长的第二次轨迹规划加滤波的方法不仅实现各个轴到达每个关节节点的速度、加速度或加加速度连续，而且规划效率高，且在两次轨迹规划过程中均选择以时间余弦为基函数的表达式描述速度，进一步提高了规划的精度。

下面结合附图5和图6介绍本发明的一种多轴设备的关节空间轨迹的规划装置实施例。

图5示出了种多轴设备的关节空间轨迹的规划装置实施例一的结构，包括：获取模块510、时间同步模块520和速度匹配模块530。

获取模块510用于获取的各个关节节点在关节空间的坐标，多轴设备的每个轴为所述关节空间的一个维度。其方法和优点请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的步骤S110。

时间同步模块520用于在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标对每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间。其方法和优点请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的步骤S120。

速度匹配模块530用于在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标和同步时间对每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得每个轴在关节空间的轨迹。其方法和优点请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例一的步骤S130。

图6示出了一种多轴设备的关节空间轨迹的规划装置实施例二的结构，包括：获取模块610、末端轨迹规划模块620、时间同步模块630和速度匹配模块640。

获取模块610用于S210：获取多轴设备末端的路径节点的位姿、运动学约束条件和计算时间颗粒度。其方法和优点请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的步骤S210。

末端轨迹规划模块620用于根据路径节点的位姿规划多轴设备末端在笛卡尔空间的轨迹，并通过运动学逆解获得多轴设备的关节节点在关节空间中的坐标。其方法和优点请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的步骤S220。

时间同步模块630用于在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标对每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间。其方法和优点请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的步骤S230。

速度匹配模块640用于在多轴设备的每个轴的运动学约束条件下，根据各关节节点的坐标和同步时间对每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得每个轴在关节空间的轨迹。其方法和优点请参照一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法实施例二的步骤S240。

本发明实施例还提供的一种计算设备，下面图7详细介绍。

该计算设备700包括，处理器710、存储器720、通信接口730、总线740。

应理解，该图所示的计算设备700中的通信接口730可以用于与其他设备之间进行通信。

其中，该处理器710可以与存储器720连接。该存储器720可以用于存储该程序代码和数据。因此，该存储器720可以是处理器710内部的存储单元，也可以是与处理器710独立的外部存储单元，还可以是包括处理器710内部的存储单元和与处理器710独立的外部存储单元的部件。

可选的，计算设备700还可以包括总线740。其中，存储器720、通信接口730可以通过总线740与处理器710连接。总线740可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(EFStended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。所述总线740可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，该图中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

应理解，在本发明实施例中，该处理器710可以采用中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)。该处理器还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(field programmable gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。或者该处理器710采用一个或多个集成电路，用于执行相关程序，以实现本发明实施例所提供的技术方案。

该存储器720可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器710提供指令和数据。处理器710的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，处理器710还可以存储设备类型的信息。

在计算设备700运行时，所述处理器710执行所述存储器720中的计算机执行指令执行各方法实施例的操作步骤。

应理解，根据本发明实施例的计算设备700可以对应于执行根据本发明各实施例的方法中的相应主体，并且计算设备700中的各个模块的上述和其它操作和/或功能分别为了实现本方法实施例各方法的相应流程，为了简洁，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本方法实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述译码方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括，U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于执行各方法实施例的操作步骤。

本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括，具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括、但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本发明保护范畴。

Claims (10)

1.一种多轴设备的关节空间轨迹的规划方法，其特征在于，包括：

获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标，多轴设备的每个轴为所述关节空间的一个维度；

在所述每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对所述每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间，其中，一个关节节点的同步时间为所述每个轴同时到达该关节节点的时间；

在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标对所述每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得所述每个轴在所述关节空间的轨迹。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述第一次轨迹规划，包括：

根据所述坐标获得所述每个轴的拐点，一个轴的拐点为在所述关节空间中在该轴对应的坐标维度上速度为0的关节节点；

在所述运动学约束条件下，通过速度规划对每个轴在每两个相邻拐点之间的轨迹进行规划，获得所述规划时间。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述据此确定每个关节节点的同步时间，包括：

根据所述规划时间，获得在第一次轨迹规划的轨迹中所述每个轴在每两个相邻关节节点之间的运行时长；

对于任意两个相邻关节节点，对比每个轴在该两个相邻关节节点之间的所述运行时长，选择其中最长的所述运行时长作为在该两个相邻关节节点之间的同步时长；

根据所述同步时长获得所述同步时间，其中，一个关节节点的同步时间为在该关节节点的上个相邻关节节点的同步时间上叠加在这两个相邻关节节点之间的同步时长。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述第二次轨迹规划包括：

在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标通过速度规划分别对每个轴的每两个相邻拐点之间的轨迹进行规划，且在规划过程中以各个轴在每个关节节点的速度、加速度或加加速度连续为收敛条件。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述第二次轨迹规划还包括：

当经过设定时间的第二次轨迹规划时还存在某个轴在某一关节节点的速度或加速度或加加速度不连续时，通过平滑滤波使每个轴在每个关节节点的速度、加速度和加加速度的连续。

6.根据权利要求2、4或5任一所述方法，其特征在于，在所述速度规划时使用时间余弦为基函数的表达式表示每个轴在所述关节空间的坐标与时间的关系。

7.根据权利要求1至5任一所述方法，其特征在于，所述运动学约束条件包括每个轴的最大允许速度、最大允许加速度或最大允许加加速度。

8.一种多轴设备的关节空间轨迹的规划装置，其特征在于，包括：获取模块、时间同步模块和速度匹配模块；

所述获取模块用于获取多轴设备的各个关节节点在关节空间的坐标，多轴设备的每个轴为所述关节空间的一个维度；

所述时间同步模块用于在所述每个轴的运动学约束条件下，根据所述坐标对所述每个轴分别进行第一次轨迹规划，获得所述每个轴到达各关节节点的规划时间，并据此确定每个关节节点的同步时间，其中，一个关节节点的同步时间为所述每个轴同时到达该关节节点的时间；

所述速度匹配模块用于在所述运动学约束条件下，根据所述同步时间和所述坐标对所述每个轴分别进行第二次轨迹规划，获得所述每个轴在所述关节空间的轨迹。

9.一种计算设备，其特征在于，包括：

总线；

通信接口，其与所述总线连接；

至少一个处理器，其与所述总线连接；以及

至少一个存储器，其与所述总线连接并存储有程序指令，所述程序指令当被所述至少一个处理器执行时使得所述至少一个处理器执行权利要求1至7任一所述方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，其特征在于，所述程序指令当被计算机执行时使得所述计算机执行权利要求1至7任一所述方法。

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