一种机器人点动操作的速度控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人示教模式下点动操作的一种速度控制方法，属于工业机器人技 术。
【背景技术】
[0002] 手动示教模式下点动（JOG)操作是机器人示教人员在各类关节坐标系空间或笛 卡尔坐标系、工具坐标系和用户坐标系等空间下驱动机器人运动到达示教点的操作。点动 运行时，控制器需要配合示教过程的按键状态，实时和同步地进行插补计算和执行。传统控 制器采用一种直观的解决方案：控制器在每个实时控制周期计算下一个插补点位置，并在 同一周期内完成执行任务。然而，这种方案存在以下缺点：①点动速度并不平滑，会产生机 械冲击；②开始运动加速度一般很大，无法实现微小位移点动；③只考虑到单个周期内的 运动范围，若当前运动速度很大时，可能因无法及时停止而超出运动限位。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明针对伺服电机处于位置控制 模式的情况，提供一种机器人手动示教模式下点动操作的速度控制方法，为实现机器人关 节坐标系空间下的单轴平滑点动操作提供一种轨迹规划步骤和程序实现方法，同时为实现 笛卡尔坐标系、工具坐标系和用户坐标系等空间下的移动点动和转动点动操作提供一种轨 迹规划步骤和程序实现方法。本发明方法能使点动过程速度平滑，能有效降低对机械结构 的冲击、磨损以及减少运动能耗，实现微小距离点动，并解决高速点动无法及时平滑停止的 问题。
[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种机器人点动操作的速度控制方法，将点动操作的速度控制过程划分为加速& 匀速段和停止段，其中加速&匀速段包括周期变加速段、加速-匀速过渡段和匀速段三个子 阶段，加速-匀速过渡段和匀速段为两个可或缺的子阶段，每个子阶段以固定长度的时间 片为单位进行轨迹插补规划，且各个时间片内插补增量变化的加速度连续，且每个时间片 的起始增量加速度和终止增量加速度均为零；每个时间片由连续的若干个控制周期组成， 每个时间片完成后，根据判断条件确定下一时刻采用加速&匀速段插补序列还是停止段插 补序列，其中判断条件包括：①当前控制过程处于哪个子阶段，②点动操作是否结束，③机 器人运动是否在可达范围内，④机器人是否产生碰撞。
[0006] 周期变加速段、加速-匀速过渡段和匀速段的状态跳转关系如图1所示：当点动操 作时间较长时，点动操作包含上述三个子阶段和停止段；当点动操作时间较短时，加速-匀 速过渡段和匀速段可能或缺。各阶段插补增量的动态指标如图2所示，点动的插补序列点 由初始位置域插补增量相加确定。该方法的具体包括如下部分：
[0007] Partl :记录初始位置或位姿信息
[0008] 控制器在接收到点动请求命令后，记录初始位置或位姿信息。若是在关节空间下 执行单轴点动操作，点动的初始位置为点动轴的初始角度；若是在笛卡尔坐标系、工具坐标 系和用户坐标系等空间下执行单轴点动操作，点动的初始位姿为机器人工具末端点（Tool Center Point，TCP)在参考坐标系下位姿变换矩阵。
[0009] Part 2 :参数的定义
[0010] 以i = 1，2,…，X表示加速&匀速段的所有时间片，时间片的时间长度为T2(]^i 个时间片的起始增量为θ1(]，对应的起始增量速度和加速度分别为&和Θ先；第i个时间 片的中点增量为Θ lh，对应的中点增量速度和加速度分别为6^和式,，，&同时为第i个时间 片的加速度峰值；第i个时间片的终止增量为Θ lf，对应的终止增量速度和加速度分别为& 和|;匀速段的给定速度为么；；插补时间为
，初始时 i = l；
[0011] 停止段的起始增量为Θ。。，对应的起始增量速度和加速度分别为為^和爲^;停止段 的终止增量为θ M，对应的终止增量速度和加速度分别为么，和成^
[0012] Part3 :插补规则设计
[0013] 在执行第i个时间片的插补序列时，同时计算第（i+1)个时间片的插补序列，目 的是为了能够在第i个时间片插补完成时能立即执行第（i+1)个时间片的插补序列，保证 运动的连贯性；所述第（i+1)个时间片的插补序列分为两类：①加速&匀速段的插补序列 Normal和停止段的插补序列Ending ;
[0014] 所述插补序列Normal分为三种情况：①若第（i+1)个时间片的加速度峰值 没有达到最大加速度&_，第（i+1)个时间片的速度也没有达到速度峰值珠，则第（i+1)个 时间片为周期变加速段，采用周期变加速段插补方法计算第（i+1)个时间片的插补序列； ②若第（i+1)个时间片的加速度峰值达到最大加速度 &_，但是第（i+1)个时间片的 速度没有达到速度峰值堯，则第（i+1)个时间片为加速-匀速过渡段，采用加速-匀速过渡 段插补方法计算第（i+1)个时间片的插补序列；③若第（i+1)个时间片的速度达到速度峰 值么，则第（i+1)个时间片为匀速段，采用匀速段插补方法计算第（i+1)个时间片的插补序 列；
[0015] 由于不知道点动操作何时停止，因此在执行每一个时间片的插补序列的同时都需 要计算插补序列Ending，插补序列Ending的起点为第i个插补序列Normal的延续。
[0016] Part 4:周期变加速段的时间片的插补序列的计算和执行
[0017] 控制程序开启插补序列的计算过程，首先计算周期变加速段的第i个时间片的插 补序列，周期变加速段的插补增量曲线函数确定方法如下：
[0018] 周期变加速段可以包括若干个时间片；在周期变加速段内，相邻两个时间片的加 速度峰值依次递增固定值Λ a，即△? =先+4)/; -%，:要求第（i+1)个时间片规划后所得的加速 度峰值不超过最大加速度amax。
[0019] 由于周期变加速段的每个时间片的θι(]、4、4 (=〇)、4和4 (=如可以看作 是确定量，T2。为固定值，因此可以考虑使用四阶多项式对周期变加速段内的第i个时间片 的插补量G1 (t)进行插值，SP :
[0020] Θ j (t) = ω i0+ ω nt+ ω i2t2+ ω i3t3+ ω i4t4
[0021] 其中ωι()、c〇u、ωι2、ωι3和ω i4为多项式系数，其约束条件为：
[0023] 求解得到对周期变加速段内的第i个时间片的插补量Θ Jt)进行插值的函数为：
[0025] Part5 :加速-匀速过渡段时间片的插补序列的计算和执行
[0026] 由于加速-匀速过渡段的时间片的
以看作是确定量，因此同样可以考虑使用四阶多项式对加速-匀速过渡段的第i个时间片 的插补量G1 (t)进行插值，SP :
[0027] Θ j (t) = ω i0+ ω nt+ ω i2t2+ ω i3t3+ ω i4t4
[0028] 其中ωι()、c〇u、ωι2、ωι3和ω i4为多项式系数，其约束条件为：
[0030]