CN117348526A - 用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法及系统 - Google Patents

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    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
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    • G—PHYSICS
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    • G05B2219/30—Nc systems
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    • G05B2219/34083—Interpolation general

Abstract

本发明涉及机器人轨迹规划技术领域，公开了一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法及系统，该方法将当前点和插补队列中的前两个插补点作为一组局部数据，基于局部数据将机器人的局部轨迹平滑处理为第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C；规划运动完第一直线段、圆弧段以及第二直线段所需的最短时间；在机器人运动至B2位置时，跳出本次局部规划，继续新一轮的局部规划，直至得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。这样，引入局部滚动优化的方式，以少量的点作为一组局部优化点，滚动迭代优化出所有轨迹，并保证速度连续，且由于一次优化的点数量少，减少了轨迹优化的计算量，可以简化姿态插补的实现复杂程度。

Description

用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人轨迹规划技术领域，尤其涉及一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法及系统。
背景技术
机器人的路径规划中，规划出的路径序列通常不是很平滑的轨迹，需要对规划出的路径点序列进行进一步的轨迹优化和平滑，提高机器人的运动性能和质量。常用的轨迹优化方法主要有多项式曲线拟合、B样条曲线、贝塞尔曲线、以及时间最优规划算法等方法，根据路径规划中的控制点拟合出平滑的曲线。而传统的运动插补算法，在其控制点输入时需要确定其插补类型，通过读取插补器中点的插补类型规划出轨迹并运动。
对于有连续点持续插补进入的应用场景，多项式曲线拟合的方式会由于插入点的增大导致计算量过大，且难以进行速度匹配的情况；B样条曲线和贝塞尔曲线均会由于连续点的插补而影响到原有的控制点生成的轨迹，增加了轨迹平滑的难度，增加连续点插入时轨迹平滑的复杂度；时间最优规划算法只能针对完整轨迹点进行轨迹优化，对于连续插补时，机器人会出现在控制点降速为零，在重新加速运动且如此循环进行的情况导致轨迹优化效果不够好；此外，传统运动插补算法需要提供插补类型，在其圆弧插补过程中需要提供圆弧段的起止点，而在路径规划提供的均为零散的控制点，因此到圆弧平滑过渡时需要计算圆弧段起止点，使实现变得复杂，并且当有新的插补点进入时，也会对原有的轨迹造成影响。而机器人在运动过程中，末端执行器位置变化的同时，其姿态也在做出相应的改变，上述方法均不易得到一个简易的姿态插补的处理方法。可见，现有技术中的姿态插补的实现较为复杂。
发明内容
本发明提供了一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法及系统，以解决现有技术中的姿态插补的实现较为复杂的问题。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本申请提供一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，包括：
确定机器人的插补队列，并根据机器人的现有位置姿态确定当前点A；
将当前点和插补队列中的前两个插补点作为一组局部数据,插补点包括第一插补点B和第二插补点C；
采用圆弧过渡的方式基于局部数据将机器人的局部轨迹平滑处理为第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C；
规划运动完第一直线段、圆弧段以及第二直线段所需的最短时间；
在机器人运动至B2位置时，跳出本次局部规划，继续新一轮的局部规划，直至得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。
第二方面，本申请提供一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
有益效果：
本发明提供的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，将当前点和插补队列中的前两个插补点作为一组局部数据，采用圆弧过渡的方式基于局部数据将机器人的局部轨迹平滑处理为第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C；规划运动完第一直线段、圆弧段以及第二直线段所需的最短时间；在机器人运动至B2位置时，跳出本次局部规划，继续新一轮的局部规划，直至得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。这样，引入局部滚动优化的方式，在以匀速加减速的方式保证单次规划运动所需时间最短，以少量的点作为一组局部优化点，滚动迭代优化出所有轨迹，并保证速度连续，且由于一次优化的点数量少，减少了轨迹优化的计算量，可以简化姿态插补的实现复杂程度。
在进一步的方案中，保留了每一次优化最后位置的速度，可以保证运动速度的连续性，以匀速加减速的速度规划模型保证单次规划中所用时间最短。相对于原时间最优轨迹规划算法，不会出现中间过程降速为零的现象，相较于上述常见的轨迹优化方法本申请能更好的适应动态点插入的应用场景，实现轨迹平滑并保证速度连续。
在进一步的方案中，在机器人姿态规划中，在不同的线段类型采取相应的四元数球面线性插补方案，这样能够保证圆弧运动过程中机器人的姿态尽量贴近于中间控制点的设定姿态保证插补姿态的可靠性。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法流程图之一；
图2为本发明优选实施例的局部位置规划插补示意图；
图3为本发明优选实施例的加速到最大速度然后减速为零的模型示意图；
图4为本发明优选实施例的具有匀速段的速度规划图；
图5为本发明优选实施例的加速后减速的速度规划图；
图6为本发明优选实施例的一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法流程图之二。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
请参见图1，本申请提供的一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，包括：
确定机器人的插补队列，并根据机器人的现有位置姿态确定当前点A；
将当前点和插补队列中的前两个插补点作为一组局部数据,插补点包括第一插补点B和第二插补点C；
采用圆弧过渡的方式基于局部数据将机器人的局部轨迹平滑处理为第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C；
规划运动完第一直线段、圆弧段以及第二直线段所需的最短时间；
在机器人运动至B2位置时，跳出本次局部规划，继续新一轮的局部规划，直至得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。
上述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，引入局部滚动优化的方式，在以匀速加减速的方式保证单次规划运动所需时间最短，以少量的点作为一组局部优化点，滚动迭代优化出所有轨迹，并保证速度连续，且由于一次优化的点数量少，减少了轨迹优化的计算量，可以简化姿态插补的实现复杂程度。
在具体实现时，采用圆弧过渡的方式基于局部数据将机器人的局部轨迹平滑处理为第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C，包括如下步骤：
设定圆弧段的曲率半径；
根据曲率半径确定圆弧段的弧长；
基于弧长采用圆弧过渡的方式得到第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C。
在该实施方式中，圆弧段的曲率半径可以提前设置。其设置方式可以是根据实际场景中，机器人连续运动时，到达过渡点附近的精度决定，过不需要严格到达过渡点，可以将曲率半径设置的为较大值，使得运动的轨迹更加圆滑，过渡的线段长度更长。这样，通过提前设置的圆弧段的曲率半径可以得到圆弧段的弧长，将多维度情况下的轨迹优化方式降为一维情况，简化了计算步骤。
再具体实现时，继续新一轮的局部规划时，
以B2点作为新的当前点，更新插补队列，机器人跳出迭代点处的速度作为下一轮计算的初始速度，继续新一轮的局部规划，直至得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。
在该实施方式中，以B2点作为当前机器人的位置数据，并保留当前的速度，去除掉插补队列的第一个点的数据，引入更新后的插补队列中的新的第一个和第二个插补点重新进行局部的轨迹优化，通过局部滚动优化的方式不断迭代得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。
可选地，更新插补队列时，局部数据对应的位置递推公式如下：
vi＝vi-1end,(v0＝0)
其中，vi是局部轨迹规划的初始速度，vi-1end是上一轮优化的跳出点的速度，当机器人刚启动时，机器人的初始速度v0为0，P是图2中运动点相对于起点A走过的轨迹长度对应的三维空间点，eAB是线段AB的方向向量由A指向B，s是运动点相对于起始点走过的轨迹长度，sB1是B1点相对于A的轨迹长度，R是圆弧过渡的曲率半径，x是图二中由圆弧的圆心指向B1的单位方向向量，y是平面法向量和x向量叉乘得到的正交单位向量，θ是运动点和原点连线与x向量间的夹角，sB2是B2点相对于A的轨迹长度，eBC是线段BC的方向向量由B指向C。
根据递推原理，在机器人在这一轮的局部规划结束时，机器人跳出迭代点处的速度作为下一轮计算的初始速度。由此可见，当动态插补队列中不断有新的控制点引进时，这些新的可控制点是不会影响前面点的插补轨迹的。且一次迭代的过程中，由于参与规划点的数量只有三个，这减少了轨迹规划的计算复杂度。在速度的规划上，先判断匀加速到速度最大然后匀减速是否能够会超过这段局部轨迹的长度。其理论模型如图3所示。在图3中，先判断匀加速到速度最大然后匀减速是否会超过该局部轨迹的长度，其中，该段速度下的走过的位移为s0，s0的表达式满足如下关系：
当局部规划轨迹的长度比上面表达式的s0的长度要长时，本申请采用如图4所示的速度规划曲线图，并且该速度规划下运动完当前轨迹所花的时间时最少的。图4中，在最初时刻到t1时刻之间先匀加速到最大速度vmax，然后在t1时刻到t3时刻之间以最大速度vmax匀速运动，在t3时刻到t2时刻之间匀减速运动。
其中，其位移关于时间的表达式如下所示：
其中，t1是t1时刻，vm是设定运动能达到的最大速度，a是加速度，t2是t2时刻，t3是t3时刻；
若局部规划的轨迹小于s0的长度，如图5所示，在最初时刻到t1时刻之间先匀加速到能到达的最大速度，在t1时刻到t2时刻之间匀减速运动：
其中，其位移关于时间的表达式如下所示：
在该实施方式中，保留了每一次优化最后位置的速度，可以保证运动速度的连续性，以匀速加减速的速度规划模型保证单次规划中所用时间最短。相对于原时间最优轨迹规划算法，不会出现中间过程降速为零的现象，相较于上述常见的轨迹优化方法本申请能更好的适应动态点插入的应用场景，实现轨迹平滑并保证速度连续。
进一步地，在机器人运动过程中的姿态插补上，通过四元数球面线性插补的方式得到。在位置的轨迹优化路径上可知，机器人的局部轨迹分为了两个直线段和一个圆弧段。在机器人运动过程中的姿态插补时，姿态规划的公式满足如下关系：
q＝Slerp(qA,qB,lAPi/lAB) (Pi在AB1线段内)
q＝Slerp(qB1,qB2,t/(tB2-tB1)) (Pi在B1B2圆弧段内)；
q＝Slerp(qB,qc,lBPi/lBC) (Pi在BC线段内)
其中，q表示对应位置的机器人的姿态的四元数值，qA表示A点的四元数值，qB表示B点的四元数值，qc表示C点的四元数值，qB1表示B1点的四元数值，qB2表示B2点的四元数值，l表示线段的长度，t表示对应位置的时间，Pi表示机器人当前点的位置。
在该实施方式中，在机器人姿态规划中，在不同的线段类型采取相应的四元数球面线性插补方案，这样能够保证圆弧运动过程中机器人的姿态尽量贴近于中间控制点的设定姿态保证插补姿态的可靠性。
在一完整示例中，请参见图6，本申请采用的技术方案为局部滚动规划的思想，以机器人的现有位置姿态和插补队列中的前两个插补点作为一组局部数据，机器人的位置数据以圆弧过渡的方式，平滑过渡这组数据的中间点，A，B，C分别为机器人的当前点和队列中的第一和第二个插补点，通过圆弧过渡的方式将机器人的轨迹平滑处理为AB1直线段、B1B2圆弧段以及B2C直线段。通过提前设置的圆弧段的曲率半径可以得到圆弧段的弧长，将多维度情况下的轨迹优化方式降为一维，在这组局部轨迹的速度规划中，采用二次规划先加速后减速的方式，规划出运动完这段路径所需的最短时间，而当机器人运动到B2位置时，则跳出这次局部规划，以B2点作为当前机器人的位置数据，并保留当前的速度，去除掉插补队列的第一个点的数据，引入更新后的插补队列中的新的第一个和第二个插补点重新进行局部的轨迹优化，通过局部滚动优化的思想不断迭代得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。
本申请还提供一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。该用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化系统可以实现上述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，其特征在于，包括：
确定机器人的插补队列，并根据机器人的现有位置姿态确定当前点A；
将当前点和插补队列中的前两个插补点作为一组局部数据,所述插补点包括第一插补点B和第二插补点C；
采用圆弧过渡的方式基于所述局部数据将机器人的局部轨迹平滑处理为第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C；
规划运动完所述第一直线段、圆弧段以及第二直线段所需的最短时间；
在机器人运动至B2位置时，跳出本次局部规划，继续新一轮的局部规划，直至得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。
2.根据权利要求1所述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，其特征在于，所述采用圆弧过渡的方式基于所述局部数据将机器人的局部轨迹平滑处理为第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C，包括：
设定圆弧段的曲率半径；
根据所述曲率半径确定圆弧段的弧长；
基于所述弧长采用圆弧过渡的方式得到第一直线段AB1、圆弧段B1B2以及第二直线段B2C。
3.根据权利要求1所述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，其特征在于，继续新一轮的局部规划时，
以B2点作为新的当前点，更新插补队列，机器人跳出迭代点处的速度作为下一轮计算的初始速度，继续新一轮的局部规划，直至得到轨迹平滑且速度连续的路径规划结果。
4.根据权利要求3所述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，其特征在于，更新插补队列时，局部数据对应的位置递推公式如下：
其中，vi是局部轨迹规划的初始速度，vi-1end是上一轮优化的跳出点的速度，当机器人刚启动时，机器人的初始速度v0为0，P是运动点相对于起点A走过的轨迹长度对应的三维空间点，eAB是线段AB由A指向B的方向向量，s是运动点相对于起始点走过的轨迹长度，sB1是B1点相对于A的轨迹长度，R是圆弧过渡的曲率半径，x是由圆弧的圆心指向B1的单位方向向量，y是平面法向量和x向量叉乘得到的正交单位向量，θ是运动点和原点连线与x向量间的夹角，sB2是B2点相对于A的轨迹长度，eBC是线段BC由B指向C的方向向量。
5.根据权利要求1所述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，其特征在于，所述规划运动完所述第一直线段、圆弧段以及第二直线段所需的最短时间，包括：
以先加速后减速的方式规划运动完所述第一直线段、圆弧段以及第二直线段所需的最短时间。
6.根据权利要求5所述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，其特征在于，所述先加速后减速的方式具体包括：
先判断匀加速到速度最大然后匀减速是否会超过该局部轨迹的长度，其中，该段速度下的走过的位移为s0，s0的表达式满足如下关系：
当局部规划轨迹的长度大于s0的长度时，在最初时刻到t1时刻之间先匀加速到最大速度vmax，然后在t1时刻到t3时刻之间以最大速度vmax匀速运动，在t3时刻到t2时刻之间匀减速运动；
其中，其位移关于时间的表达式如下所示：
其中，t1是t1时刻，vm是设定运动能达到的最大速度，a是加速度，t2是t2时刻，t3是t3时刻；
若局部规划的轨迹小于s0的长度，在最初时刻到t1时刻之间先匀加速到能到达的最大速度，在t1时刻到t2时刻之间匀减速运动：
其中，其位移关于时间的表达式如下所示：
7.根据权利要求1所述的用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化方法，其特征在于，在机器人运动过程中的姿态插补时，姿态规划的公式满足如下关系：
其中，q表示对应位置的机器人的姿态的四元数值，l表示线段的长度，t表示对应位置的时间，Pi表示机器人当前点的位置。
8.一种用于虚拟平台的机器人动态点插补的轨迹优化系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7中任一所述方法的步骤。
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