基于引力搜索粒子群算法的Delta机器人轨迹规划方法

文档序号:9750039阅读:644来源:国知局
基于引力搜索粒子群算法的Delta机器人轨迹规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及Delta机器人轨迹规划领域,具体是指一种基于引力搜索粒子群算法 的Delta机器人轨迹规划方法。
【背景技术】
[0002] 在工业现场,只需给定机器人运动的起点与终点,机器人就可以完成相应动作。为 保证机器人起止点间动作的柔顺性,减少机械结构的磨损,并且在满足伺服电机各项指标 的前提下快速动作,需要对机器人各关节的动作过程进行轨迹规划。
[0003] 目前,轨迹规划方案根据优化目标的不同,可分为能量最优、时间最优、最小脉动 等类型。其中,时间最优与最小脉动的轨迹规划能够满足工业现场对生产效率以及延长机 械使用寿命的需求,应用较为广泛。时间最优轨迹规划主要将求取时间节点转化为非线性 寻优问题,当前,针对非线性寻优问题国内外提出了很多解决方法,如粒子群优化算法、信 赖域算法、自适应和声搜索算法以及二次规划等。由于上述优化算法的复杂性以及现阶段 硬件计算速度的约束,实时性成为该算法应用于工业机器人的瓶颈。

【发明内容】

[0004] 本发明为了达到Delta机器人抓取主传送带上不同位置物体时各关节启停无振动 且运行时间最短的目的,提供了一种满足工业实时性要求的基于引力搜索粒子群算法的 De 1 ta机器人时间最优轨迹规划方法。
[0005] 为达此目的,本发明通过如下技术方案实现:
[0006] A.采用网格划分的方式将Delta机器人主传送带工作区域分割为MXN个边长为 dcm(0<cK 2)的正方形,每个正方形称为网格,选取网格中心点为标准点;
[0007] B.在笛卡尔空间,对所述步骤A中的标准点与固定放置点Q6采用直线与圆弧插值 的方式,获取笛卡尔空间"门"型轨迹的位置离散序列{Q^Q^L Q6};
[0008] C.根据Delta机器人结构模型,求出各主动轴角度0^02,03与末端执行器位置Eo的 运动学逆解;
[0009] D.根据所述步骤C中的运动学逆解将所述步骤B中笛卡尔空间"门"型轨迹的位置 离散序列{Qo,Qi,L Q6}转换成Delta机器人关节空间的角度离散序列{Pt^P^L P6};
[0010] E.初始化w组关节空间的时间节点序列{to,ti,L t6},每组关节空间的时间节点序 列与笛卡尔空间中以标准点为起点的"门"型轨迹所对应的时间节点序列相一致,为简化说 明,以下统称为"时间节点序列",且每组时间节点序列的间隔{ A t〇, Atl,LAt5}均为Is以 内的随机数;
[0011] F.将所述步骤D中关节空间的角度离散序列{PQ,Pi,L P6}与所述步骤E中任意一组 时间节点序列{to,ti,L t6}相对应,组成关节空间的角度-时间节点序列{Pi,ti},i = 0,1,L 6,并构造7次非均匀有理B样条函数插值该关节空间的角度-时间节点序列,控制各关节的 运动;
[0012] G.构造时间最优适应度函数,在满足关节速度、加速度、脉动连续平滑且不超过伺 服电机额定限制值的条件下,采用引力搜索粒子群算法,对w组时间节点序列t 6} 离线寻优,直到满足最大迭代次数,输出一组最优时间节点序列;
[0013] H.采用离线方式对所述步骤A中ΜXN个标准点,重复以上所述步骤B~G,获得ΜXN 组以标准点为起点的"门"型轨迹所对应的最优时间节点序列t6}并存储在三维数 组A与B中;
[0014] I.工业智能相机识别出主传送带上物体的中心点,该点称为目标点,利用在线查 询方式,获得以目标点所在网格标准点为起点的"门"型轨迹所对应的一组最优时间节点序 列t 6},同时将该目标点采用类似于标准点的方法,重复以上所述步骤B~D快速规 划机器人运动轨迹,完成既定运动。
[0015] 本发明的有益效果是:提供了基于引力搜索粒子群算法的Delta机器人时间最优 轨迹规划方法。采用网格划分的方式将Delta机器人主传送带工作区域分割为MXN个网格 并确定标准点坐标;构建笛卡尔空间"门"型抓取轨迹,推导出各主动轴角度与末端执行器 位置的运动学逆解;采用引力搜索粒子群算法,以时间最优为适应度函数,在满足关节速 度、加速度、脉动连续平滑且不超过伺服电机额定限制值的条件下,构造7次非均匀有理B样 条函数,获取离线插值关节空间的角度-时间节点序列;Delta机器人在线识别出目标点坐 标后,计算关节空间的角度离散序列,查询离线存储在三维数组中的数据,获得时间节点序 列,规划运动轨迹,完成既定运动。
【附图说明】
[0016] 附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实 施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0017] 图1是离线算法流程;
[0018] 图2是在线算法流程;
[0019 ]图3是网格化主传送带工作区域;
[0020]图4是笛卡尔空间"门"型抓取轨迹;
[0021 ]图5是Delta机器人运动学模型;
[0022] 图6是网格中的标准点与目标点。
【具体实施方式】
[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合具体实施例,并参照 附图,对本发明作进一步详细说明。
[0024] 本发明的基本目的是以Delta机器人为平台,对抓取主传送带上不同位置物体的 动作进行轨迹规划,在满足机器人伺服电机额定限制值的条件下,寻找时间最优运动轨迹。 整个算法流程主要分为目标定位、离线寻优出最优时间节点序列、在线查询最优时间节点 序列,如图1、图2所不。
[0025] 进一步的,具体实现步骤为:
[0026] A.采用网格划分的方式将Delta机器人主传送带工作区域划分为MXN个正方形, 每个正方形称为网格,其边长为d cm,d的数值不大于2且一般取1或2,M的值一般为偶数,选 取网格中心点为标准点。如图3,ir XN个网格分布在第一象限,余下,XN个网格分布在第 二象限,且它们关于Y轴对称,其中,=M/2。
[0027] B.在笛卡尔空间,对步骤A中的标准点与固定放置点Q6通过直线与圆弧插值,生成 笛卡尔空间中7个离散的位置序列以构建"门"型抓取路径,如图4所示。7个离散的位置序列 坐标为:
[0028] Q〇= (χο,γο,ζο),
[0029] Qi= (x〇,y〇,zo+H),
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] Q5= (x6,y6,Z6+H),
[0034] Q6= (X6,y6,Z6) (1)
[0035] 式中,Qo (XQ,yo,ZQ)为标准点,Q6(X6,y6,Z6)为固定放置点,位置提升高度为H cm,数 值可根据Delta机器人实际抓取物体的要求设定;圆弧插值半径为R cm,数值可根据标准点 Qo到固定放置点Q6的远近做微调,以消除由于笛卡尔空间中插值点选取过少而导致的"门" 型轨迹圆弧过渡部分出现畸变的现象,R值的大小可根据式(2)确定:
[0036] mm \
| mm / H )
[0037] 式中,
%当前抓取动作时笛卡尔空间中标 准点Q〇与固定放置点Q6之间的线段长度,RmagR_分别为圆弧过渡半径R的最大值与最小 值,数值设定为:
[0038]
(3)
[0039] 式中,Lmax与L_分别为固定放置点Q6与主传送带上MXN个网格标准点形成的最长 线段长度与最短线段长度,数值可根据Delta机器人工作区域离线测量获得。
[0040] C.图5为Delta机器人的结构模型,在Delta机器人固定平台的中心位置建立基坐 标系0-ΧΥΖ与求解坐标系Ο-XiYiZ,考虑到Delta机器人三个支链完全相同,可采用绕Z轴旋转 坐标系的方式简化求解,得到Delta机器人各主动轴角度0^02,03与末端执行器位置E〇的运 动学逆解:
[0041] (4)
[0047] zj, =α + /)_Χ/,,
〔5)
[0048] 设定9i向下旋转为正方向,向上旋转为负方向,a、b、c为中间变量,eifB'=
[0049] BY =(:^为移动平台三角形的边长,f = AB = BC = CA为固定平台三角形的边长, re = JiEi为从动臂的长度,rf = Fi乃为主动臂的长度,為,ΖΛ为第i条支链的主动臂与从动 臂的交点心在求解模型坐标系〇-?^2的¥轴坐标与2轴坐标4()(1(),7(),2())为机器人末端执 行器在基坐标系中的坐标,El0(X10,yi(),Z1Q)、E2Q(X2Q,y2Q, Z2Q)、E3Q(X3Q,y3(),Z3Q)分别为i = 1, 2,3时点Εο(χο,yo,zo)在求解坐标系0-XiYiZ下的坐标,具体为:
[0050]
[0051] D.根据步骤C中的运动学逆解将步骤B中笛卡尔空间"门"型轨迹的位置离散序列 {Qoj^L Q6}转换成Delta机器人关节空间的角度离散序列{Pt^PiL P6};
[0052] E.初始化w组关节空间的时间节点序列{to,ti,L t6},每组关节空间的时间节点序 列与笛卡尔空间中以标准点为起点的"门"型轨迹所对应的时间节点序列相一致,为简化说 明,以下统称为"时间节点序列",同时,定义每组时间节点序列的间隔A td:
[0053] Δ ti = ti+i_ti(i = 0,1,L,5) (7)
[0054] 式中,Ah为伺服电机由角度Ρ,转动到P1+1的时间间隔,且Atl均为Is以内的随机 数;^为伺服电机转动到匕所对应的时刻且^为非递减数列。
[0055] F.将步骤D中的关节空间的角度离散序列{Po,Pi,L P6}与步骤E中任意一组时间节 点序列{to,ti,L t6}相对应,组成关节空间的角度-时间节点序列{Pi,ti},i = 0,1,L 6
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