CN117687417A - 一种工业机器人外部运动轨迹规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人外部运动轨迹规划方法及系统，包括以下步骤：S1、输入外部运动轨迹，所述轨迹由多个离散数据点组成；S2、对输入的离散数据点进行数据校验，以去除不合理的离散数据点；S3、调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点；S4、控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；S5、实现轨迹的实时调速，以满足用户对不同的速度要求；本发明实现了工业机器人外部轨迹控制，且运动路径具有轨迹平滑和速度可调等优点，实际可行性高。

Description

一种工业机器人外部运动轨迹规划方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种工业机器人外部运动轨迹规划方法及系统。

背景技术

目前，机器人已经广泛应用于自动化领域，如医疗、服务、焊接、搬运等。随着机器人技术的发展，机器人趋向智能化，高效化和人性化，大大提高了生产效率，推进了工业化的进程。

传统的工业机器人控制器只能示教一下简单的轨迹，如点到点，直线和圆弧运动，这些示教轨迹可以满足大部分的工业现场应用。但随着机器人应用领域的拓展，需要更复杂的轨迹来完成特定的作业任务，例如：人跳舞轨迹、动物捕捉轨迹、路面颠簸轨迹等，这些轨迹主要用于模拟复杂的动作。传统的机器人控制器无法生成这些复杂的轨迹，因此，本发明涉及一种工业机器人外部运动轨迹规划方法及系统，可以快速高效地生成外部轨迹。

对现有相关技术进行文献检索后发现，中国专利号：CN107351088B，名称：一种机器人外部运动路径控制方法。控制器接收外部输入的运动路径，经信号处理模块和运动学模块处理成驱动器可接收的数据，从而实现机器人沿着用户自定义的复杂路径运动。该专利的方法没有离散点筛查与剔除和速度调节功能，实际可行性较低。

因此，现有技术中缺乏一种工业机器人外部运动轨迹的接口，能够快速高效地生成外部轨迹。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种工业机器人外部运动轨迹规划方法及系统，解决了传统工业机器人控制器无法生成复杂轨迹的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，包括以下步骤：

S1、输入外部运动轨迹，所述运动轨迹包括机器人关节空间轨迹和末端笛卡尔空间轨迹，所述轨迹由多个离散数据点组成；

S2、对输入的离散数据点进行数据校验，以去除不合理的离散数据点；

S3、调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点；

S4、控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；

S5、实现轨迹的实时调速。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤S1中，所述离散数据点表示为：

；

其中，n是离散点数目，是第i个离散点，Pn是离散点序列；

若所述运动轨迹为机器人关节空间轨迹，则p _i 表示为关节角；

若所述运动轨迹为末端笛卡尔空间轨迹，则p _i 表示为空间位置和姿态。

作为本发明进一步的技术方案，所述对输入的离散数据点进行数据校验，以去除不合理的离散数据点的步骤包括：

机器人关节限位约束条件为：；

其中，q _min是机器人最小关节角，q _max是机器人最大关节角；

通过数值微分求得离散点p _i 的速度为：；

其中，Δt是采样时间，v _i 是离散点p _i 的速度，p _i-1是第i-1个离散点；

机器人关节速度约束条件为：；

其中，是机器人最小关节速度，/>是机器人最大关节速度；

当离散点p _k (1≤k≤n)不满足关节限位和关节速度约束中的至少一种时，则去除该离散点，剩下的离散点组成的序列为：

。

作为本发明进一步的技术方案，所述调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点的步骤包括：

用户在界面上选择拟合曲线类型，所述曲线类型包括多项式曲线、B样条曲线、Bézier曲线和时间最优拟合曲线，拟合后的曲线表示为：

；

其中，F(.)是拟合曲线函数，t是时间变量，q(t)是生成的轨迹。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤S4中，使用时间缩放方法的停止规划表示为：

；

其中，t _i 为当前时刻，t _i-1为前一时刻，t _c 为插补周期时间，m是时间缩放系数，在停止运动过程时，规划m值，使得m经过一段时间后从1降至0，从而实现停止；

采用五次多项式对m进行规划，表示为：

；

其中，t _stop 是停止运动所需的时间。

作为本发明进一步的技术方案，在步骤S5中，采用时间缩放方法实现轨迹的实时调速的公式为：

；

；

其中，是新的时间变量，σ(.)是时间缩放函数，/>是时间缩放后的轨迹。

本发明还提供了一种工业机器人外部运动轨迹规划系统，所述系统包括：

用户界面模块，用于输入外部运动轨迹，所述运动轨迹包括是机器人关节空间轨迹和末端笛卡尔空间轨迹，所述轨迹由多个离散数据点组成；

数据校验模块，用于对输入的离散数据点进行数据校验和不合理点的去除；

运动插补模块，用于调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点；

启停模块，用于控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；

速度调节模块，用于实现轨迹的实时调速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种工业机器人外部运动轨迹规划方法及系统，传统的工业机器人控制器只能示教一些简单的轨迹，而无法生成复杂的轨迹，而本发明可以快速高效地生成外部轨迹。与传统的方法相比，用户界面用于输入外部运动轨迹，轨迹由多个离散点组成；数据校验模块对输入的轨迹数据点进行数据校验和剔除，以满足机器人限位和最大关节速度等约束条件；运动插补模块会自动调用运动插补库函数来拟合离散点轨迹；启停模块用于控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；速度调节模块用于实现轨迹的实时调速以实现。本发明实现了工业机器人外部轨迹控制，且运动路径具有轨迹平滑和速度可调等优点，实际可行性高，解决了传统方法中没有离散点筛查与剔除和速度调节功能，实际可行性较低等问题。

附图说明

图1为本发明实施例中工业机器人外部运动轨迹规划方法的流程图；

图2为本发明实施例中使用时间最优规划生成的关节角图；

图3为本发明实施例中使用时间最优规划生成的关节速度图；

图4为本发明实施例中生成的缓慢停止轨迹；

图5为本发明实施例中速度调节后生成的关节角图；

图6为本发明实施例中速度调节后生成的关节速度图。

具体实施方式

面结合具体实施方式对本申请的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，包括以下步骤：

S1、输入外部运动轨迹，所述运动轨迹包括机器人关节空间轨迹和末端笛卡尔空间轨迹，所述轨迹由多个离散数据点组成，其中，所述轨迹也可以由连续函数的采样点组成；

S2、对输入的离散数据点进行数据校验，以去除不合理的离散数据点，以满足机器人关节限位和最大关节速度等约束条件；

S3、调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点；

S4、控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；

S5、实现轨迹的实时调速，以满足用户对不同的速度要求。

本实施例中，在步骤S1中，所述离散数据点Pn表示为：

；

其中，n是离散点数目，是第i个离散点，Pn是离散点序列；

若所述运动轨迹为机器人关节空间轨迹，则p _i 表示为关节角；

若所述运动轨迹为末端笛卡尔空间轨迹，则p _i 表示为空间位置和姿态。

本实施例中，所述对输入的离散数据点进行数据校验，以去除不合理的离散数据点的步骤包括：

用户输入的离散点p _i 必须在机器人关节限位内，否则机器人无法到达离散点，机器人关节限位约束条件为：；

其中，q _min是机器人最小关节角，q _max是机器人最大关节角；

通过数值微分求得离散点p _i 的速度为：；

其中，Δt是采样时间，v _i 是离散点p _i 的速度，p _i-1是第i-1个离散点；

机器人关节速度约束条件为：；

其中，是机器人最小关节速度，/>是机器人最大关节速度；

当离散点p _k (1≤k≤n)不满足关节限位和关节速度约束中的至少一种时，则去除该离散点，剩下的离散点组成的序列为：

。

本实施例中，所述调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点的步骤包括：

用户在界面上选择拟合曲线类型，所述曲线类型包括多项式曲线、B样条曲线、Bézier曲线和时间最优拟合曲线，拟合后的曲线表示为：

；

其中，F(.)是拟合曲线函数，t是时间变量，q(t)是生成的轨迹。

本实施例中，在步骤S4中，当按下停止按钮后，机器人不应该立即停止运动，否则可能会损坏零部件，而是应该缓慢减速到0。因此，需要设计缓慢停止轨迹，从而使机器人从当前速度缓慢减速到0，使用时间缩放方法的停止规划表示为：

；

其中，t _i 为当前时刻，t _i-1为前一时刻，t _c 为插补周期时间，m是时间缩放系数，在停止运动过程时，规划m值，使得m经过一段时间后从1降至0，从而实现停止；

采用五次多项式对m进行规划，表示为：

；

其中，t _stop 是停止运动所需的时间。

本实施例中，在步骤S5中，采用时间缩放方法实现轨迹的实时调速的公式为：

；

；

其中，是新的时间变量，σ(.)是时间缩放函数，/>是时间缩放后的轨迹。

本发明实施例的另一目的在于提供一种工业机器人外部运动轨迹规划系统，所述系统包括：

用户界面模块，用于输入外部运动轨迹，所述运动轨迹包括是机器人关节空间轨迹和末端笛卡尔空间轨迹，所述轨迹由多个离散数据点组成；

数据校验模块，用于对输入的离散数据点进行数据校验和不合理点的去除；

运动插补模块，用于调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点；

启停模块，用于控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；

速度调节模块，用于实现轨迹的实时调速。

为了便于本领域技术人员更好地理解本发明技术方案，给出本发明具体实施例如下：

以2连杆机器人关节空间外部离散点轨迹为例，用户输入的离散点数目n=11，关节1离散点为P ₁=[0 45 90 45 145 -90 45 -45 0 -90 0] ^T deg，关节2离散点为P ₂ =[0 -60 -90 60 0 90 -45 60 0 -45 0] ^T deg。关节限位约束为q _min =-120deg，q _max =120deg关节速度约束为，/>。

离散点经过关节限位约束和关节速度约束筛查后，发现离散点中第5个离散点P5=145deg超限位，将该离散点剔除后，剩余10个离散点。使用时间最优轨迹规划插补剩余的离散点所生成的曲线如图2和图3所示，其生成的轨迹总时间为16.6s。从图2可以看出时间最优轨迹平滑地连接所有10个路径点，且在关节限位内，从图3可以看出轨迹的速度达到并受限于关节速度约束值，说明时间最优轨迹的高效性。

为了说明基于时间缩放方法的停止规划，设置停止时间t _stop = 2s，当机器人以±90deg/s的匀速运动时，在4.5s时刻，下发停止命令，经过2s后完成停止规划过程，减速到0，如图4所示。

为了说明基于时间缩放方法的速度调节，令，即新生成的轨迹的速度和原来的轨迹相比应该减半，轨迹总时间应该增加一倍。基于时间缩放方法生成的轨迹如图5和图6所示，从图5可以看出时间最优轨迹平滑地连接所有10个路径点，且在关节限位内，其轨迹总时间增长到33.2s。图5和图3相比较，形状一样，但时间增加了一倍。图6和图4相比较，形状一样，但轨迹的速度减半。说明基于时间缩放方法的速度调节的正确性。

因此，本发明实现了工业机器人外部轨迹控制，且运动路径具有轨迹平滑和速度可调等优点，实际可行性高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

以上实施方式对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、输入外部运动轨迹，所述运动轨迹包括机器人关节空间轨迹和末端笛卡尔空间轨迹，所述轨迹由多个离散数据点组成；

S2、对输入的离散数据点进行数据校验，以去除不合理的离散数据点；

S3、调用各种运动插补函数来拟合校验后的离散数据点；

S4、控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；

S5、实现轨迹的实时调速。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，其特征在于，在步骤S1中，所述离散数据点表示为：

；

其中，n是离散点数目，是第i个离散点，Pn是离散点序列；

若所述运动轨迹为机器人关节空间轨迹，则p _i 表示为关节角；

若所述运动轨迹为末端笛卡尔空间轨迹，则p _i 表示为空间位置和姿态。

3.根据权利要求2所述的一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，其特征在于，所述对输入的离散数据点进行数据校验，以去除不合理的离散数据点的步骤包括：

机器人关节限位约束条件为：；

其中，q _min是机器人最小关节角，q _max是机器人最大关节角；

通过数值微分求得离散点p _i 的速度为：；

其中，Δt是采样时间，v _i 是离散点p _i 的速度，p _i-1是第i-1个离散点；

机器人关节速度约束条件为：；

其中，是机器人最小关节速度，/>是机器人最大关节速度；

当离散点p _k (1≤k≤n)不满足关节限位和关节速度约束中的至少一种时，则去除该离散点，剩下的离散点组成的序列为：

。

4.根据权利要求2所述的一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，其特征在于，所述调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点的步骤包括：

用户在界面上选择拟合曲线类型，所述曲线类型包括多项式曲线、B样条曲线、Bézier曲线和时间最优拟合曲线，拟合后的曲线表示为：

；

其中，F(.)是拟合曲线函数，t是时间变量，q(t)是生成的轨迹。

5.根据权利要求1所述的一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，其特征在于，在步骤S4中，使用时间缩放方法的停止规划表示为：

；

其中，t _i 为当前时刻，t _i-1为前一时刻，t _c 为插补周期时间，m是时间缩放系数，在停止运动过程时，规划m值，使得m经过一段时间后从1降至0，从而实现停止；

采用五次多项式对m进行规划，表示为：

；

其中，t _stop 是停止运动所需的时间。

6.根据权利要求5所述的一种工业机器人外部运动轨迹规划方法，其特征在于，在步骤S5中，采用时间缩放方法实现轨迹的实时调速的公式为：

；

；

其中，是新的时间变量，σ(.)是时间缩放函数，/>是时间缩放后的轨迹。

7.一种工业机器人外部运动轨迹规划系统，其特征在于，所述系统包括：

用户界面模块，用于输入外部运动轨迹，所述运动轨迹包括是机器人关节空间轨迹和末端笛卡尔空间轨迹，所述轨迹由多个离散数据点组成；

数据校验模块，用于对输入的离散数据点进行数据校验和不合理点的去除；

运动插补模块，用于调用各种运动插补函数来拟合校验剔除后的离散数据点；

启停模块，用于控制轨迹的启动和停止，并生成缓慢停止轨迹；

速度调节模块，用于实现轨迹的实时调速。