WO2020010626A1 - 机器人的运动控制方法、机器人及机器人运动控制系统 - Google Patents

机器人的运动控制方法、机器人及机器人运动控制系统 Download PDF

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WO2020010626A1 PCT/CN2018/095676 CN2018095676W WO2020010626A1 WO 2020010626 A1 WO2020010626 A1 WO 2020010626A1 CN 2018095676 W CN2018095676 W CN 2018095676W WO 2020010626 A1 WO2020010626 A1 WO 2020010626A1
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张松鹏
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深圳配天智能技术研究院有限公司
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Abstract

本申请公开了一种机器人的运动控制方法、机器人及机器人运动控制系统，该方法包括：获取机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的初始参数；根据该初始参数以及在转换完成后机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的目标参数，规划工具坐标系相对于第二参考坐标系的偏移轨迹；控制机器人的工具坐标系沿偏移轨迹运动。通过上述方式，本申请能够在机器人所参考的坐标系转换时不产生速度突变，避免对机器人造成损坏。

Description

机器人的运动控制方法、机器人及机器人运动控制系统 【技术领域】
本申请涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种机器人的运动控制方法、机器人及机器人运动控制系统。
【背景技术】
随着技术的逐渐成熟，工业机器人已大量用于汽车制造、生物制药、电子产品等各个工业领域，大幅提高了自动化水平和生产效率。在机械加工和食品包装等行业，传送带用于高效运输工件，工业机器人应用于传送带上工件的加工、移动、拾取等操作，将大大解放劳动力。
由于传送带处于运动状态，工业机器人需要实时跟踪传送带状态。此时，机器人所参考的坐标系，即工件坐标系，应附着于传送带上的工件，其与世界坐标系具有相对运动速度，当机器人的工具中心点(Tool Center Point，TCP)上车(即从世界坐标系转换至工件坐标系)或下车(从工件坐标系转换至世界坐标系)时，TCP点在坐标系转换时将产生速度突变，会对机器人造成破坏。
【发明内容】
为了至少部分解决以上问题，本申请提出了一种机器人的运动控制方法、机器人及机器人运动控制系统，能够解决TCP点产生速度突变对机器人造成损坏的问题。
为了解决上述问题，本申请采用的第一个技术方案是：提供一种机器人的运动控制方法，包括：获取机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的初始参数；根据该初始参数以及在转换完成后机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的目标参数，规划工具坐标系相对于第二参考坐标系的偏移轨迹；控制机器人的工具坐标系沿偏移轨迹运动。
为了解决上述问题，本申请采用的第二个技术方案是：提供一种机器人，包括：处理器，用于执行指令以实现如上所述的运动控制方法。
为了解决上述问题，本申请采用的第三个技术方案是：提供一种机器人运动控制系统，包括：机器人和传送带；该传送带用于传送工件；机器人用于对工件进行跟踪；其中，机器人是如上所述的机器人。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请的部分实施例中，在机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，根据机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的初始参数，以及在转换完成后机器 人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的目标参数，规划工具坐标系相对于第二参考坐标系的偏移轨迹，控制机器人的工具坐标系沿偏移轨迹运动，使得机器人在所参考的坐标系转换时，工具坐标系可以沿偏移轨迹运动，其速度可以逐渐变化为目标速度，而不会产生突变，避免对机器人造成损坏。
【附图说明】
图1是本申请机器人的运动控制方法第一实施例的流程示意图；
图2是图1中步骤S13的具体流程示意图；
图3是本申请机器人的运动控制方法第二实施例的流程示意图；
图4是图3中各步骤的具体流程示意图；
图5是本申请机器人的运动控制方法第三实施例的流程示意图；
图6是本申请机器人的运动控制方法第四实施例的流程示意图；
图7是图6中步骤S21、S22的具体流程示意图；
图8是图7中步骤S221的具体流程示意图；
图9是图8中步骤S2211的具体流程示意图；
图10是本申请机器人一实施例的结构示意图；
图11是本申请机器人运动控制系统一实施例的结构示意图；
图12是本申请具有存储功能的装置一实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本申请进行详细说明。
如图1所示，本申请机器人的运动控制方法第一实施例包括：
S11：获取机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的初始参数。
其中，机器人所参考的坐标系是规划机器人的运动轨迹的空间坐标系，例如世界坐标系或传送带跟踪坐标系等。该初始参数包括初始速度、初始位置以及初始加速度中的至少一个或组合。
当该第一参考坐标系是世界坐标系，该第二参考坐标系是传送带跟踪坐标系时，该机器人处于上车状态；当该第一参考坐标系是传送带跟踪坐标系，该第二参考坐标系是世界坐标系时，该机器人处于下车状态。由于传送带是运动的，该传送带跟踪坐标系相对于世界坐标系也是运动的，存在一个相对速度，当机器人的工具坐标系相对于第一参考坐标系的速度为零时，则可以将该相对速度作为该初始速度。该初始位置可以是坐标转换瞬间该机器人的工具坐标系的原点(TCP点)在第二参考坐标系下的位置坐标。该初始加速度可以是坐标转换瞬间该机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的加速度，也可以是由 用户设定的加速度，此处不做具体限定。
S12：根据该初始参数以及在转换完成后机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的目标参数，规划工具坐标系相对于第二参考坐标系的偏移轨迹。
其中，目标参数为与该初始参数对应的目标速度、目标位置以及目标加速度中的至少一个或组合。规划该偏移轨迹时，可以采用求解多项式的方式，或者直接采用设置一固定初始加速度规划匀加速轨迹的方式，或者其他速度拟合方式，此处不做具体限定。
具体地，在一个应用例中，该目标位置采用该初始位置，该目标速度为零，即机器人所参考的坐标系转换后，机器人的TCP点在第二参考坐标系下的位置不变，且该TCP点相对于第二参考坐标系的速度为零。规划该偏移轨迹时，可以采用构建速度和位置随时间变化的n次多项式(如3次多项式)，然后以初始速度、初始位置、目标速度和目标位置为已知参数，根据克莱姆法则，可以求解出该3次多项式的系数，进而得到该偏移轨迹中速度和位置随时间变化的函数，最终可以构成该偏移轨迹。其中，该偏移轨迹可以采用矩阵的方式表示。
可选地，规划该偏移轨迹时，还可以考虑角速度因素，从而使得该偏移轨迹可以应用到曲线运动的传送带场景，扩大了实际应用范围。
例如，在一个应用例中，定义机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系(如传送带跟踪坐标系)的齐次矩阵如下：
Figure PCTCN2018095676-appb-000001
其中， cA t(t)是t时刻工具坐标系相对于第二参考坐标系的齐次矩阵， cR t(t)是t时刻工具坐标系相对于第二参考坐标系的旋转矩阵， cp t(t)是t时刻TCP点在第二参考坐标系下的位置。
定义初始时刻为0时刻，则该TCP点相对于第二参考坐标系的初始线速度和初始角速度分别为 cv t/c(0)和 cω t/c(0)。若该目标速度为零，且该TCP点相对于第二参考坐标系的初始位置和目标位置相同，则该偏移轨迹是使得该TCP点相对于第二参考坐标系的速度逐渐变为零，且保持TCP点无位置和姿态的偏移。因此， cA t(t end)＝ cA t(0)，且该目标线速度 cv t/c(t end)和目标角速度 cω t/c(t end)均为0，该工具坐标系相对于第二参考坐标系的齐次矩阵可以分解为
Figure PCTCN2018095676-appb-000002
其中，R(t)和p(t)即为偏移轨迹的旋转偏移量(旋转轨迹)和平移偏移量(平移轨迹)。由于偏移轨迹的始末偏移均为0，即R(0)＝R(t end)＝I，p(0)＝p(t end)＝0， 其中I为单位向量。对上述齐次矩阵求导可得
Figure PCTCN2018095676-appb-000003
由上式可知 cω t/c(t)＝ω(t)， cv t/c(t)＝v(t)。由此，该偏移轨迹可以看成沿v start方向做直线平移，沿ω start方向做定轴转动。因此，该偏移轨迹可以表示成由R(t)和p(t)构成的矩阵，例如(R(t) p(t))。
当然，在其他应用例中，规划该偏移轨迹时，还可以考虑加速度因素，该目标位置也可以不是初始位置，该目标速度也可以不是零。也就是说，该机器人上下车过程中，还可以规划TCP点的移动轨迹，使得TCP移动到区别于初始位置的目标位置。
例如，在上下车过程中，还可以规划该TCP点的移动轨迹，此时可以将该移动轨迹作为第一运动轨迹，将上述应用例中目标速度为零的偏移轨迹作为第二运动轨迹，则将第一运动轨迹和第二运动轨迹叠加，形成最终的偏移轨迹。其中，该第二运动轨迹可以用如下矩阵表示
Figure PCTCN2018095676-appb-000004
其中，A′(t)是t时刻的第二运动轨迹，R′(t)是t时刻该第二运动轨迹的旋转偏移量，p′(t)是t时刻该第二运动轨迹的平移偏移量，则叠加后的TCP点相对于第二参考坐标系的最终偏移轨迹可以表示为如下矩阵
Figure PCTCN2018095676-appb-000005
其中，该第一运动轨迹结束后，该偏移轨迹则为该第二运动轨迹，即 cA * t(t)＝A′(t)。
S13：控制机器人的工具坐标系沿该偏移轨迹运动。
具体地，在上述应用例中，在机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，控制机器人的工具坐标系沿该偏移轨迹运动，可以使得该机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的速度逐渐变化为目标速度。例如，上车时，该工具坐标系相对于传送带跟踪坐标系的速度逐渐变化为零，下车时，则是该工具坐标系相对于世界坐标系的速度逐渐变化为零，而不会发生突变，从而可以避免对机器人工具的损坏。
可选地，当在上下车过程中，还规划该TCP点的移动轨迹时，该偏移轨迹包括第一运动轨迹和第二运动轨迹，则如图2所示，步骤S13进一步包括：
S131：控制机器人的工具坐标系同时沿第一运动轨迹和第二运动轨迹运动，以使得机器人的工具中心点移动到目标位置且其相对于第二参考坐标系的速度逐渐变化为目标速度。
其中，该第一运动轨迹可以参考上述应用例中的第一运动轨迹 cA t(t)，该第二运动轨迹可以参考上述应用例中的第二运动轨迹A′(t)，该偏移轨迹即为第一运动轨迹和第二运动轨迹的叠加，具体可以参考上述应用例中的最终偏移轨迹 cA * t(t)。
如图3所示，本申请机器人的运动控制方法第二实施例是在本申请机器人的运动控制方法第一实施例的基础上，步骤S12进一步包括：
S121：构建能够表示偏移轨迹的时间的n次多项式，其中n为正整数，并由初始参数和目标参数的数量决定；
其中，时间的n次多项式可应用于插值、函数逼近等多个领域，能够在一定程度上通过已知条件反映未知函数和时间的依赖关系。所有的多项式构成了多项式环，如果已知条件为n+1个，那么必存在唯一的次数不超过n的多项式使得已知条件成立。由n+1个已知条件可得到包含n+1个未知系数的线性方程组，系数行列式为范德蒙行列式，采用待定系数法求解线性方程组即可得到未知系数。根据克莱姆法则，方程组有唯一解。当然，该多项式也可由拉格朗日插值公式得到，此处不做具体限定。
具体地，在一个应用例中，初始参数为初始位置和初始速度，目标参数为目标位置和目标速度，即已知条件为4个，则可以构建时间的3次多项式表示该偏移轨迹。
可选地，该偏移轨迹包括旋转轨迹和平移轨迹，该初始位置包括初始旋转位置和初始平移位置，该初始速度包括初始线速度和初始角速度，该目标位置包括目标旋转位置和目标平移位置，该目标速度包括目标线速度和目标角速度，因此，对于该旋转轨迹，具有初始旋转位置、初始角速度、目标旋转位置和目标角速度4个已知条件，可以构建表示该旋转轨迹的时间的3次多项式；类似地，对于该平移轨迹，具有初始平移位置、初始线速度、目标平移位置和目标线速度4个已知条件，可以构建表示该平移轨迹的时间的3次多项式。
进一步地，如图4所示，步骤S121具体包括：
S1211：构建如下公式(1)和(2)所示的能够分别表示所述偏移轨迹的旋转轨迹和平移轨迹的时间的三次多项式：
θ(t)＝a ωt 3+b ωt 2+c ωt+d ω      (1)
p(t)＝a vt 3+b vt 2+c vt+d v    (2)
其中，θ(t)是t时刻偏移轨迹的旋转轨迹，p(t)是t时刻偏移轨迹的平移轨迹，a ω、b ω、c ω和d ω是表示旋转轨迹的时间的三次多项式的系数，a v、b v、c v和d v是表示平移轨迹的时间的三次多项式的系数。
S122：以初始参数、目标参数以及工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数求解n次多项式的多项式系数；
其中，可以采用待定系数法求解n次多项式的多项式系数。
可选地，该偏移轨迹包括旋转轨迹和平移轨迹，当该旋转轨迹采用上述公式(1)表示，该平移轨迹采用上述公式(2)表示时，如图4所示，步骤S122进一步包括：
S1221：获取工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长；
其中，该工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长可以是用户设置的时间，也可以是机器人随机设置的时间，其具体取值可以根据实际需求而定，此处不做具体限定。
S1222：将初始旋转位置、目标旋转位置、初始角速度、目标角速度和工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数，求解得到表示旋转轨迹的时间的三次多项式的第一系数；
S1223：将初始平移位置、目标平移位置、初始线速度、目标线速度和工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数，求解得到表示平移轨迹的时间的三次多项式的第二系数。
具体地，将初始旋转位置、目标旋转位置、初始角速度、目标角速度和工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数，分别代入上述公式(1)，则可以采用待定系数法求解出公式(1)中的系数。其中，当目标旋转位置即为初始旋转位置，且目标角速度为零时，最终求解得到的第一系数分别为：
Figure PCTCN2018095676-appb-000006
b ω＝-2ω start/t end、c ω＝ω start和d ω＝0，其中ω start是初始角速度的数值，即初始角速率，t end是工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长。
同理，将初始初始平移位置、目标平移位置、初始线速度、目标线速度和工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数，分别代入上述公式(2)，则可以采用待定系数法求解出公式(2)中的系数。其中，当目标平移位置即为初始平移位置，且目标线速度为零时，最终求解得到的第二系数分别为：
Figure PCTCN2018095676-appb-000007
b v＝-2v start/t end、c v＝v start和d v＝0，其中v start是初始线速度的数值，即初始线速率，t end是工具坐标系沿偏移轨迹运动所需的时长。
S123：根据求解出的多项式系数构建偏移轨迹随时间变化的函数。
具体地，在一个应用例中，将求解出的多项式系数代入对应的多项式中， 即可以得到表示偏移轨迹中旋转轨迹和平移轨迹随时间变化的函数，最终结合上述两个函数，可以通过指数映射等数学变换方法得到对应的旋转矩阵和平移位置，最后得到偏移轨迹。
可选地，继续参阅图4，上述步骤S123可以包括：
S1231：将第一系数代入表示旋转轨迹的时间的三次多项式，得到偏移轨迹的旋转轨迹随时间变化的第一函数；
S1232：将第二系数代入表示平移轨迹的时间的三次多项式，得到偏移轨迹的平移轨迹随时间变化的第二函数；
S1233：根据第一函数构建偏移轨迹的实时旋转矩阵，根据第二函数构建偏移轨迹的实时位置向量；
S1234：以实时旋转矩阵和实时位置向量为元素，构成偏移轨迹。
具体地，在上述应用例中，将第一系数代入公式(1)，可以得到偏移轨迹的旋转轨迹随时间变化的第一函数θ(t)，将第二系数代入公式(2)，可以得到偏移轨迹的平移轨迹随时间变化的第二函数p(t)，然后，可以将该第一函数θ(t)和第二函数p(t)分别和单位偏移角速度向量e ω、单位偏移线速度向量e v相乘，得到对应的实时旋转矩阵R(t)和实时位置向量P(t)，最后以实时旋转矩阵R(t)和实时位置向量P(t)为元素，构成偏移轨迹(R(t) P(t))。其中，该偏移轨迹的表示方式也可以采用其他类型，例如齐次矩阵的方式等，此处不做具体限定。
当然，在其他实施例中，也可以采用其他方式计算得到该实时旋转矩阵R(t)和实时位置向量P(t)。
具体如图5所示，本申请机器人的运动控制方法第三实施例是在本申请机器人的运动控制方法第二实施例的基础上，步骤S1233进一步包括：
S12331：利用初始线速度和初始角速度分别计算单位偏移角速度向量和单位偏移线速度向量；
具体地，将该偏移轨迹规划为沿初始线速度方向做直线运动，且沿初始角速度方向做定轴转动，则可以利用该初始线速度和初始角速度的单位方向向量计算该偏移轨迹。其中，该单位偏移角速度向量是该初始角速度的单位方向向量，该单位偏移线速度向量是该初始线速度的单位方向向量。
当初始角速度为ω start，初始线速度为v start时，该单位偏移角速度向量为e ω＝ω start/|ω start|，该单位偏移线速度向量为e v＝v start/|v start|。
S12332：利用如下公式(3)和公式(4)分别计算偏移轨迹的实时旋转矩阵和偏移轨迹的实时位置向量：
Figure PCTCN2018095676-appb-000008
P(t)＝p(t)e v      (4)
其中，R(t)是t时刻偏移轨迹的旋转矩阵，P(t)是t时刻偏移轨迹的位置向量，I是单位矩阵，θ(t)是t时刻的第一函数，p(t)是t时刻的第二函数，
Figure PCTCN2018095676-appb-000009
是单位偏移角速度向量的斜对称矩阵，e v是单位偏移线速度向量。
具体地，若单位偏移角速度向量表示为e ω＝(e x,e y,e z) T，则与该单位偏移角速度向量e ω一一对应的斜对称矩阵
Figure PCTCN2018095676-appb-000010
可以表示为
Figure PCTCN2018095676-appb-000011
此外，exp指的是指数映射，可表示为
Figure PCTCN2018095676-appb-000012
该偏移轨迹的实时旋转矩阵R(t)可用如上公式(3)表示，该偏移轨迹的实时位置向量P(t)则可以用如上公式(4)表示。因此，当计算得到该第一函数θ(t)和第二函数p(t)后，则可利用上述公式(3)和公式(4)分别得到该实时旋转矩阵R(t)和该偏移轨迹的实时位置向量P(t)，最后以R(t)和P(t)为元素则可以组成偏移轨迹(R(t) P(t))。
在其他实施例中，当机器人处于运动状态时，由于机器人所参考的坐标系(即工件坐标系)相对于静止的世界坐标系处于运动状态，当机器人需要停止运动时，例如机器人的运动路径上存在障碍物时，由于机器人的运动轨迹是在该参考坐标系下规划的，即使该机器人相对于该参考坐标系的速度为零，但该参考坐标系相对于世界坐标系的速度不为零时，该机器人相对于世界坐标系还是运动的，仍然无法避免该机器人碰撞障碍物，因此，该参考坐标系应该规划停止轨迹，使得该参考坐标系相对于静止的世界坐标系的相对速度为零，以避免机器人产生碰撞。
具体如图6所示，本申请机器人的运动控制方法第四实施例是在本申请机器人的运动控制方法第一实施例的基础上，进一步包括：
S21：获取急停初始时刻机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的急停初始参数；
S22：根据急停初始参数和急停目标参数，规划机器人所参考的坐标系的急停轨迹；
S23：控制机器人所参考的坐标系沿急停轨迹运动，以使得机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的速度逐渐下降为零。
其中，该急停初始时刻可以是机器人上车后跟踪传送带上的工件的过程中的某个时刻，也可以是机器人在上下车过程中沿偏移轨迹运动的某个时刻，此处不做具体限定。
该急停初始参数包括急停初始速度、急停初始位置和急停初始加速度中的至少一个或组合，急停目标参数包括与急停初始参数对应的急停目标速度、急停目标位置和急停目标加速度中的至少一个或组合。
具体地，在一个应用例中，机器人处于跟踪传送带上的工件的过程中，则该机器人所参考的坐标系是传送带跟踪坐标系，该机器人设置有距离传感器(例如红外传感器或超声波传感器等)，当利用该距离传感器检测到机器人的运动路径上存在障碍物时，该可以将当前时刻或者当前时刻之后的某个时刻(如1毫秒后)作为该急停初始时刻，获取该急停初始时刻的初始参数，例如急停初始速度和急停初始位置。其中，该急停初始速度是该急停初始时刻传送带跟踪坐标系相对于世界坐标系的相对速度，该急停初始位置是该急停初始时刻机器人的TCP点相对于世界坐标系的相对位置。当然，在其他应用例中，距离传感器也可以设置于其他位置(例如传送带上)，该机器人可以通过与该距离传感器的通信获取障碍物位置信息，或者存在一控制中心，该距离传感器将障碍物位置信息发送给控制中心后，通过控制中心通知机器人。
规划该急停轨迹时，该机器人可以设置一急停加速度，例如获取该机器人TCP点的最大加速度作为该急停加速度，然后利用该急停加速度规划机器人TCP点相对于世界坐标系的速度的匀减速轨迹，并控制该机器人所参考的坐标系沿该急停轨迹运动，该急停轨迹的急停目标参数中，急停目标速度为零，则可以使得该机器人所参考的坐标系相对于所述世界坐标系的速度逐渐下降为零。
本实施例中，规划该机器人的急停轨迹同时，该机器人也可以规划该机器人的工具坐标系相对于所参考的坐标系的停止轨迹，控制该机器人所参考的坐标系沿该急停轨迹运动的同时还可以控制该机器人的TCP点沿该停止轨迹运动，从而使得该机器人的TCP点相对于世界坐标系直接静止，避免该机器人碰撞障碍物。
规划该急停轨迹时，可以考虑该机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的初始速度、初始位置和加速度。当然，也可以参考该机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的目标速度、目标位置和目标加速度等。
可选地，如图7所示，步骤S21包括：
S211：获取急停初始时刻机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的急停初始速度、急停初始位置和急停初始加速度；
具体地，在一个应用例中，定义该机器人所参考的坐标系是工件坐标系，该机器人的急停初始时刻是机器人上车后跟踪传送带上的工件过程中，检测到运动路径上存在障碍物时的时刻，则该工件坐标系是传送带跟踪坐标系。定义该急停初始时刻工件坐标系相对于静止的世界坐标系的位姿(齐次矩阵)为 wA obj(0)，该齐次矩阵可以表示为
Figure PCTCN2018095676-appb-000013
从该齐次矩阵中的旋转矩阵 wR obj(0)可以得到该工件坐标系相对于世界坐标系的急停初始角速度和急停初始旋转姿态，从该齐次矩阵中的位置向量 wp obj(0)可以得到该工件坐标系相对于世界坐标系的急停初始线速度和急停初始平移位置。当传送带沿直线运动时，该急停初始角速度不变，此时可以只考虑急停初始线速度，即该旋转矩阵不变，只需要规划实时位置向量。该急停初始加速度可以是用户设置的加速度，也可以是该机器人的工具坐标系的最大允许加速度，还可以是随机生成的加速度，其中，该加速度可以是固定值，也可以是随时间变化的，具体可以根据实际需求而定，此处不做具体限定。
可选地，继续参阅图7，步骤S22包括：
S221：根据急停初始速度、急停初始位置、急停初始加速度和急停目标速度构建急停轨迹。
具体地，在上述应用例中，该急停目标速度是零，该急停初始加速度采用该最大允许加速度时，可以利用该最大允许加速度规划该急停初始速度的匀减速过程，同时利用牛顿力学，结合该急停初始位置可以规划该急停轨迹。
可选地，当传送带还沿曲线运动时，规划该急停轨迹需要考虑角速度因素，该急停初始速度包括急停初始线速度和急停初始加速度，急停初始位置包括初始旋转姿态和初始平移位置，急停初始加速度包括急停初始线加速度和急停初始角加速度；急停目标速度包括急停目标线速度和急停目标角速度，其中，该急停目标角速度和急停目标线速度均为零。
如图8所示，步骤S221具体包括：
S2211：根据急停初始角速度、初始旋转姿态、急停初始角加速度和急停目标角速度构建急停轨迹的实时旋转轨迹随时间变化的第三函数；
S2212：根据急停初始线速度、初始平移位置、急停初始线加速度和急停目标线速度构建急停轨迹的实时平移轨迹随时间变化的第四函数；
其中，当该急停轨迹采用的急停加速度是一固定值，即该急停初始加速度时，可以直接根据牛顿力学原理，规划该急停轨迹为一个匀减速过程，同时由于该急停轨迹需要考虑加速度因素，则该急停轨迹包括平移轨迹和旋转轨迹， 该平移轨迹沿直线运动，该旋转轨迹定轴转动，该旋转轨迹和该平移轨迹均可以理解为匀减速过程。其中，该旋转轨迹采用第三函数θ *(t)表示，该平移轨迹采用第四函数p *(t)表示，根据急停初始角速度、初始旋转姿态、急停初始角加速度和急停目标角速度可以构建急停轨迹的实时旋转轨迹随时间变化的匀减速的第三函数θ *(t)，根据急停初始线速度、初始平移位置、急停初始线加速度和急停目标线速度构建急停轨迹的实时平移轨迹随时间变化的匀减速的第四函数p *(t)。
具体地，如图9所示，步骤S2211包括：
S22111：利用如下公式(5)和公式(6)分别计算第三函数和第四函数：
Figure PCTCN2018095676-appb-000014
Figure PCTCN2018095676-appb-000015
其中，θ *(t)是t时刻的第三函数，p *(t)是t时刻的第四函数，ω stop是急停初始角速度的速率，v stop是急停初始线速度的速率，a * ω是急停初始角加速度的速率，a * v是急停初始线加速度的速率。
具体地，获取该急停初始角速度ω stop和急停初始线速度v stop后，通过取模运算，可以得到该急停初始角速度的速率ω stop＝|ω stop|和该急停初始线速度的速率v stop＝|v stop|，同样可以采用类似的方式获取该急停初始角加速度的速率a * ω和急停初始线加速度的速率a * v。然后，利用上述公式(5)和公式(6)，即可以计算得到该急停轨迹的实时旋转轨迹随时间变化的第三函数θ *(t)，和急停轨迹的实时平移轨迹随时间变化的第四函数p *(t)。
当然，在其他实施例中，也可以设置该急停目标位置和急停目标速度后，利用建立多项式的方式，求解多项式后，获得该第三函数和第四函数。其中，若该急停加速度是随时间变化的，则该急停加速度也可以考虑上述建立多项式的方式获得。
S2213：利用急停初始线速度和急停初始角速度分别计算单位急停线速度向量和单位急停角速度向量；
上述应用例中，该急停轨迹的平移轨迹沿直线运动，旋转轨迹定轴转动，则可以采用该急停初始线速度的方向作为直线运动的方向，采用该急停初始角速度的方向作为定轴转动的方向。其中，该急停初始线速度的方向可以用单位 急停线速度向量表示，该急停初始角速度方向可以用单位急停角速度向量表示。
当急停初始角速度为ω stop，急停初始线速度为v stop时，该单位偏移角速度向量为e * ω＝ω stop/|ω stop|，该单位偏移线速度向量为e * v＝v stop/|v stop|。
S2214：利用如下公式(7)和公式(8)分别构建急停轨迹的实时旋转矩阵和实时平移向量：
Figure PCTCN2018095676-appb-000016
wp obj(t)＝p *(t)e * v+ wp obj(0)     (8)
其中， wR obj(t)是t时刻的急停轨迹的实时旋转矩阵， wp obj(t)是t时刻的急停轨迹的实时平移向量，θ *(t)是t时刻的第三函数，p *(t)是t时刻的第四函数，
Figure PCTCN2018095676-appb-000017
是单位急停角速度向量的斜对称矩阵，
Figure PCTCN2018095676-appb-000018
是单位急停线速度向量，
Figure PCTCN2018095676-appb-000019
是以θ *(t)和
Figure PCTCN2018095676-appb-000020
为参数的指数映射， wR obj(0)是初始旋转姿态， wp obj(0)是初始平移位置。
具体地，获取该第三函数和第四函数后，可以利用上述公式(7)和公式(8)计算该实时旋转矩阵和实时平移向量，其中，该单位急停角速度向量的斜对称矩阵
Figure PCTCN2018095676-appb-000021
和指数映射
Figure PCTCN2018095676-appb-000022
的具体计算方法可以参考步骤S12332中对应的计算公式，此处不再重复。
S2215：以急停轨迹的实时旋转矩阵和急停轨迹的实时平移向量为元素，构成急停轨迹。
具体地，该急停轨迹可以采用矩阵的形式表示，例如表示为齐次矩阵
Figure PCTCN2018095676-appb-000023
其中， wR obj(t)是t时刻的急停轨迹的实时旋转矩阵， wp obj(t)是t时刻的急停轨迹的实时平移向量。此时，若机器人的工具在工件坐标系下还存在运动轨迹时，可以利用简单的坐标转换比较容易的获取该工具相对于世界坐标系的运动轨迹，从而便于通过简单的坐标转换进行轨迹规划，使得机器人的工具相对于世界坐标系静止，最终避免碰撞。当然，在其他实施例中，该急停轨迹也可以直接采用( wR obj(t)  wp obj(t))的形式表示，或者采用其他形式，此处不做具体限定。
上述应用例中以机器人跟踪传送带过程中规划急停轨迹为例进行说明，而当机器人在上下车运行偏移轨迹的过程中规划急停轨迹的过程同样可以参考上述过程，此处不再重复。
如图10所示，本申请机器人70一实施例包括：处理器701，用于执行指令以实现如本申请机器人的运动控制方法第一至第四任一实施例或其不冲突的组合所提供的方法。
在其他实施例中，该机器人70还可以包括通信电路、存储器、显示器等其他部件，具体根据实际需求而定，此处不做具体限定。
本实施例中，机器人的处理器在机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，根据机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的初始参数，以及在转换完成后机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的目标参数，规划工具坐标系相对于第二参考坐标系的偏移轨迹，控制机器人的工具坐标系沿偏移轨迹运动，使得机器人在所参考的坐标系转换时，工具坐标系可以沿偏移轨迹运动，其速度可以逐渐变化为目标速度，而不会产生突变，避免对机器人造成损坏。
如图11所示，本申请机器人运动控制系统80一实施例包括：机器人801和传送带802。该传送带802用于传送工件8021，该机器人801用于对工件8021进行跟踪，其中，该机器人801的具体结构可以参考本申请机器人一实施例的结构。
在其他实施例中，该机器人运动控制系统80还可以包括控制中心、传感器等其他部件，具体根据实际需求而定，此处不做具体限定。
本实施例中，机器人运动控制系统在机器人对传送带上的工件进行跟踪过程的上下车阶段，机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，根据机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的初始参数，以及在转换完成后机器人的工具坐标系相对于第二参考坐标系的目标参数，规划工具坐标系相对于第二参考坐标系的偏移轨迹，控制机器人的工具坐标系沿偏移轨迹运动，使得机器人在所参考的坐标系转换时，工具坐标系可以沿偏移轨迹运动，其速度可以逐渐变化为目标速度，而不会产生突变，避免对机器人造成损坏。
如图12所示，本申请具有存储功能的装置一实施例中，该具有存储功能的装置90内部存储有程序901，该程序901被执行时实现如本申请机器人的运动控制方法第一至第四实施例中任一个以及任意不冲突的组合所提供的方法。
其中，该存储装置90可以是便携式存储介质如U盘、光盘，也可以是服务器、移动终端、机器人或可集成于上述设备中的独立部件，例如主控芯片等。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (21)

  1. 一种机器人的运动控制方法，其特征在于，包括：
    获取机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，所述机器人的工具坐标系相对于所述第二参考坐标系的初始参数；
    根据所述初始参数以及在转换完成后所述机器人的工具坐标系相对于所述第二参考坐标系的目标参数，规划所述工具坐标系相对于所述第二参考坐标系的偏移轨迹；
    控制所述机器人的所述工具坐标系沿所述偏移轨迹运动。
  2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始参数包括初始速度、初始位置以及初始加速度中的至少一个或组合，所述目标参数为与所述初始参数对应的目标速度、目标位置以及目标加速度中的至少一个或组合。
  3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始参数以及在转换完成后所述机器人的工具坐标系相对于所述第二参考坐标系的目标参数规划所述工具坐标系相对于所述第二参考坐标系的偏移轨迹的步骤包括：
    构建能够表示所述偏移轨迹的时间的n次多项式，其中n为正整数，并由所述初始参数和所述目标参数的数量决定；
    以所述初始参数、所述目标参数以及所述工具坐标系沿所述偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数求解所述n次多项式的多项式系数；
    根据求解出的所述多项式系数构建所述偏移轨迹随时间变化的函数。
  4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述初始参数包括初始速度和初始位置，所述目标参数包括目标速度和目标位置；
    所述构建能够表示所述偏移轨迹的时间的n次多项式包括：
    构建如下公式所述的能够分别表示所述偏移轨迹的旋转轨迹和平移轨迹的时间的三次多项式：
    θ(t)＝a ωt 3+b ωt 2+c ωt+d ω；
    p(t)＝a vt 3+b vt 2+c vt+d v；
    其中，θ(t)是t时刻所述偏移轨迹的旋转轨迹，p(t)是t时刻所述偏移轨迹的平移轨迹，a ω、b ω、c ω和d ω是表示所述旋转轨迹的时间的三次多项式的系数，a v、b v、c v和d v是表示所述平移轨迹的时间的三次多项式的系数。
  5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述初始位置包括初始旋转位置和初始平移位置，所述初始速度包括初始线速度和初始角速度，所述目标位置包括目标旋转位置和目标平移位置，所述目标速度包括目标线速度和目标 角速度；
    所述以所述初始参数、所述目标参数以及所述工具坐标系沿所述偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数求解所述n次多项式的多项式系数包括：
    获取所述工具坐标系沿所述偏移轨迹运动所需的时长；
    将所述初始旋转位置、所述目标旋转位置、所述初始角速度、所述目标角速度和所述工具坐标系沿所述偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数，求解得到表示所述旋转轨迹的时间的三次多项式的第一系数；
    将所述初始平移位置、所述目标平移位置、所述初始线速度、所述目标线速度和所述工具坐标系沿所述偏移轨迹运动所需的时长作为已知参数，求解得到表示所述平移轨迹的时间的三次多项式的第二系数。
  6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据求解出的所述多项式系数构建所述偏移轨迹随时间变化的函数包括：
    将所述第一系数代入表示所述旋转轨迹的时间的三次多项式，得到所述偏移轨迹的旋转轨迹随时间变化的第一函数；
    将所述第二系数代入表示所述平移轨迹的时间的三次多项式，得到所述偏移轨迹的平移轨迹随时间变化的第二函数；
    根据所述第一函数构建所述偏移轨迹的实时旋转矩阵，根据所述第二函数构建所述偏移轨迹的实时位置向量；
    以所述实时旋转矩阵和所述实时位置向量为元素，构成所述偏移轨迹。
  7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一函数构建所述偏移轨迹的实时旋转矩阵，根据所述第二函数构建所述偏移轨迹的实时位置向量包括：
    利用所述初始线速度和所述初始角速度分别计算单位偏移角速度向量和单位偏移线速度向量；
    利用如下公式分别计算所述偏移轨迹的实时旋转矩阵和所述偏移轨迹的实时位置向量：
    Figure PCTCN2018095676-appb-100001
    P(t)＝p(t)e v；
    其中，R(t)是t时刻所述偏移轨迹的旋转矩阵，P(t)是t时刻所述偏移轨迹的位置向量，I是单位矩阵，θ(t)是t时刻的所述第一函数，p(t)是t时刻的所述第二函数，
    Figure PCTCN2018095676-appb-100002
    是所述单位偏移角速度向量的斜对称矩阵，e v是所述单位偏移线速度向量。
  8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏移轨迹包括第一运动 轨迹和第二运动轨迹；
    所述控制所述机器人的所述工具坐标系沿所述偏移轨迹运动包括：
    控制所述机器人的所述工具坐标系同时沿所述第一运动轨迹和所述第二运动轨迹运动，以使得所述机器人的工具中心点移动到目标位置且其相对于所述第二参考坐标系的速度逐渐变化为目标速度；
    其中，所述第一运动轨迹使得所述工具中心点相对于所述第二参考坐标系的速度逐渐下降为零。
  9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第一参考坐标系是世界坐标系时，所述第二参考坐标系是传送带跟踪坐标系；当所述第一参考坐标系是所述传送带跟踪坐标系时，所述第二参考坐标系是所述世界坐标系。
  10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述机器人的工具坐标系相对于所述第一参考坐标系的速度为零时，所述获取机器人所参考的坐标系从第一参考坐标系转换为第二参考坐标系时，所述机器人的工具坐标系相对于所述第二参考坐标系的初始参数包括：
    获取所述世界坐标系相对于所述传送带跟踪坐标系的相对速度，以及所述机器人的工具中心点相对于所述第二参考坐标系的初始位置，以所述相对速度和所述初始位置作为所述初始参数。
  11. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
    获取急停初始时刻所述机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的急停初始参数；
    根据所述急停初始参数和急停目标参数，规划所述机器人所参考的坐标系的急停轨迹；
    控制所述机器人所参考的坐标系沿所述急停轨迹运动，以使得所述机器人所参考的坐标系相对于所述世界坐标系的速度逐渐下降为零。
  12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述急停初始参数包括急停初始速度、急停初始位置和急停初始加速度中的至少一个或组合，所述急停目标参数包括与所述急停初始参数对应的急停目标速度、急停目标位置和急停目标加速度中的至少一个或组合。
  13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
    所述获取急停初始时刻所述机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的急停初始参数包括：
    获取急停初始时刻所述机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的所述急停初始速度、急停初始位置和急停初始加速度；
    所述根据所述急停初始参数和急停目标参数，规划所述机器人所参考的坐标系的急停轨迹包括：
    根据所述急停初始速度、急停初始位置、急停初始加速度和所述急停目标速度构建所述急停轨迹。
  14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述急停初始速度包括急停初始线速度和急停初始加速度，所述急停初始位置包括初始旋转姿态和初始平移位置，所述急停初始加速度包括急停初始线加速度和急停初始角加速度；所述急停目标速度包括急停目标线速度和急停目标角速度，所述急停目标角速度和所述急停目标线速度均为零；
    所述根据所述急停初始速度、急停初始位置、急停初始加速度和所述急停目标速度构建所述急停轨迹包括：
    根据所述急停初始角速度、初始旋转姿态、急停初始角加速度和急停目标角速度构建所述急停轨迹的实时旋转轨迹随时间变化的第三函数，以及根据所述急停初始线速度、初始平移位置、急停初始线加速度和急停目标线速度构建所述急停轨迹的实时平移轨迹随时间变化的第四函数；
    利用所述急停初始线速度和所述急停初始角速度分别计算单位急停线速度向量和单位急停角速度向量；
    利用如下公式分别构建所述急停轨迹的实时旋转矩阵和实时平移向量：
    Figure PCTCN2018095676-appb-100003
    wp obj(t)＝p *(t)e * v+ wp obj(0)；
    其中， wR obj(t)是t时刻的所述急停轨迹的实时旋转矩阵， wp obj(t)是t时刻的所述急停轨迹的实时平移向量，θ *(t)是t时刻的所述第三函数，p *(t)是t时刻的所述第四函数，
    Figure PCTCN2018095676-appb-100004
    是所述单位急停角速度向量的斜对称矩阵，
    Figure PCTCN2018095676-appb-100005
    是所述单位急停线速度向量，
    Figure PCTCN2018095676-appb-100006
    是以θ *(t)和
    Figure PCTCN2018095676-appb-100007
    为参数的指数映射， wR obj(0)是所述初始旋转姿态， wp obj(0)是所述初始平移位置；
    以所述急停轨迹的实时旋转矩阵和所述急停轨迹的实时平移向量为元素，构成所述急停轨迹。
  15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据所述急停初始角速度、初始旋转姿态、急停初始角加速度和急停目标角速度构建所述急停轨迹的实时旋转轨迹随时间变化的第三函数，以及根据所述急停初始线速度、初始平移位置、急停初始线加速度和急停目标线速度构建所述急停轨迹的实时平移轨迹随时间变化的第四函数包括：
    利用如下公式分别计算所述第三函数和所述第四函数：
    Figure PCTCN2018095676-appb-100008
    Figure PCTCN2018095676-appb-100009
    其中，θ *(t)是t时刻的所述第三函数，p *(t)是t时刻的所述第四函数，ω stop是所述急停初始角速度的速率，v stop是所述急停初始线速度的速率，a * ω是所述急停初始角加速度的速率，a * v是所述急停初始线加速度的速率。
  16. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述获取急停初始时刻所述机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的急停初始参数之前，包括：
    检测所述机器人的运动轨迹上是否存在障碍物；
    若所述机器人的运动轨迹上存在障碍物，则执行所述获取急停初始时刻所述机器人所参考的坐标系相对于世界坐标系的急停初始参数的步骤。
  17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述运动轨迹包括所述偏移轨迹。
  18. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述机器人所参考的坐标系是传送带跟踪坐标系。
  19. 一种机器人，其特征在于，包括：处理器，用于执行指令以实现如所述权利要求1-18任一项所述的运动控制方法。
  20. 一种机器人运动控制系统，其特征在于，包括：机器人和传送带；
    所述传送带用于传送工件；
    所述机器人用于对所述工件进行跟踪；
    其中，所述机器人是如权利要求19所述的机器人。
  21. 一种具有存储功能的装置，存储有程序，所述程序被执行以实现如权利要求1-18任一项所述的运动控制方法。
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