一种机器人运行速度实时调节方法与流程

本发明涉及一种机器人运动控制技术，具体为一种机器人运行速度实时调节方法。

背景技术：

目前机器人在工业领域的应用日趋成熟，作业能力越来越广泛，可以进行焊接、装配、喷涂、物料搬运、激光加工等各种作业。随着科技的发展，工业机器人的作业变得愈加有效，工业中越来越多的作业已大量应用机器人自动化，使用工业机器人可以有效降低劳动力的成本，同时能提升工作效率和产品品质。

机器人在工位上进行自动化作业时，操作人员首先需要根据特定的作业要求，通过调试监控终端，编程给出机器人作业所需的各项操作步骤，随后就可以控制机器人进行自动加工作业。例如：机器人进行焊接作业，操作人员通过手持示教器示教出工件的焊接路径，然后启动焊接命令沿焊接路径进行自动焊接加工。操作人员示教机器人的加工轨迹时，除了指定该加工轨迹的目标位置外，还需指定轨迹的运行速度，所设定的速度值为轨迹运行时期望的最大速度。轨迹示教完成之后，操作人员经常会根据现场工况需要，以不同的速度执行示教轨迹，这就要求可以实时调节轨迹的运行速度，以适应不同的工况要求。

在现有机器人控制中，当需要以不同的速度执行示教轨迹时，一般通过修改示教轨迹的设定速度来改变轨迹的运行速度。而对于复杂的作业，由于构成该作业的工序非常多，机器人需要通过执行多条加工轨迹才能完成一次作业。此时，如果操作人员需要以不同的速度控制机器人运行时，每次变更作业速度时，都需要操作人员重新修改各条轨迹的速度设定值，这使得操作人员的工作异常繁琐，并且由于现场多次修改指令，增加了工序出错的可能性，极大的影响了机器人自动化产线的加工质量和加工效率。中国发明专利《一种进给速度实时修调方法》(专利申请号201210224099.4)公开了一种进给速度实时修调方法，包括数控系统、开关装置和测速装置，根据当前点的进给速度的新修调值，测速装置检测出当前点的进给速度的加/减/匀速状态，并将该新修调值与上一次的修调值比较，根据检测和比较的结果按照预设办法规划当前点之后部分的速度值。该方法每次调速时，都需要检测出当前点的加减速状态，调节过程中需要根据当前点所处的状态，使用不同的公式对速度曲线重新规划。该专利中的方法控制流程分支多，计算逻辑复杂，而且该专利主要针对的是数控机床加工领域中的进给速度调节，不能很好的适用于机器人控制领域的速度调节。

在目前的机器人控制中，对加工轨迹实时修改运行速度时操作复杂、繁琐，现场操作人员工作量大，且多次修改指令容易出错；另外，现有的机器人控制技术资料中，对速度进行调节的有效方法很少。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出一种机器人运行速度实时调节方法。本发明的方法，通过对插补指令的修正，进行实时速度调节，能够显著改善现有技术存在的技术缺陷，实现在复杂工况下对加工轨迹的实时调速。该方法操作简单、便捷，符合机器人应用现场的加工作业流程和用户使用习惯，可以大幅度降低现场操作人员的工作复杂度，提升机器人控制系统的用户易用性，有效保障现场加工工序的准确度，有利于机器人的标准化作业，提高机器人自动化产线的生产效率和产品的加工质量。

本发明一种机器人运行速度实时调节方法，包括以下步骤：

通过机器人调试监控终端，示教出机器人作业所需要的加工轨迹，一次作业对应一条加工轨迹或多条加工轨迹。每条加工轨迹至少包含以下运动要素：

运动类型，目标位置，设定速度，设定加速度。

运动类型用来描述机器人需要运动的空间轨迹的类型，例如：直线运动、圆弧运动或者点到点运动。

目标位置用来记录加工轨迹所要达到的终点位置。

设定速度用来描述机器人执行本条加工轨迹时期望达到的最大速度。

设定加速度用来描述机器人执行本条加工轨迹的最大加速度。

加工轨迹示教完成后，机器人控制系统获取一次作业对应的所有轨迹，从中解析出每条轨迹所包含的运动要素，第一条加工轨迹的起点位置默认为机器人当前所在位置，其它加工轨迹的起点位置为上一条加工轨迹的终点位置。由此得到机器人进行一次作业所要执行的所有连续轨迹。

机器人控制系统根据每条轨迹的类型、位移、速度等运动要素对上述加工轨迹进行轨迹规划和插补，得到每条加工轨迹上的插补指令。

在作业过程中，机器人操作人员通过调试监控终端发送调速命令，机器人控制系统获取到相应的调速参数，将以上规划好的插补指令作为基准插补指令，在此基础上按照本发明提出的实时调节处理法对基准插补指令进行速度调节处理，将经过实时调节处理的修正插补指令作为最终的实际控制指令。

所述实时调节处理法，具体处理过程是：

对于每条已规划好的轨迹，从插补模块中获取当前控制周期的插补指令，插补指令包含插补速度指令和插补位移指令。将该插补速度指令作为基准插补速度指令v(t)，对应的当前控制周期的基准插补位移指令表示为：

t∈[0,T]，其中：T表示执行该示教轨迹所需要的总时间，t是当前控制周期对应的时间。

机器人控制系统实时获取当前的调速参数，记为ovr，取值范围为：0％≤ovr≤100％。

根据实时调速参数对插补指令进行修正：首先将当前的调速参数直接作用于基准插补速度，使目标插补速度变为ovr*v(t)；然后对该目标速度值进行校验，将本周期允许的插补速度增量记为Δv(t)，并与上一周期输出的插补速度v′(t-1)进行比较，以速度的变化量不超过最大速度增量为限制，即本周期速度的变化范围为±Δv(t)。假设本周期的调速指令要求提速，若本周期的目标速度相较于上一周期的变化不超过最大速度增量，则该目标速度满足限制条件，以此作为本周期的插补速度；若本周期的目标速度相较于上一周期的变化量超过了Δv(t)，则使用速度增量来限制本周期的速度，目标插补速度被限制为v′(t-1)+Δv(t)。同理，当调速指令要求降速时，本周期的目标速度变化量不能低于-Δv(t)。

经过校验之后得到满足限制条件的修正插补速度指令：

v′(t)＝{ovr*v(t)|v′(t-1)-Δv(t)≤ovr*v(t)≤v′(t-1)+Δv(t)}

根据修正的插补速度指令v′(t)可以得到当前控制周期对应的修正插补位移指令：

机器人控制系统将每个控制周期所对应的修正插补指令输出，控制机器人以需要的目标速度进行作业。

如果机器人作业过程中需要再次改变运行速度，上述步骤中的轨迹规划和基准插补指令的计算都无需变化，只需要实时获取最新的调速参数，再将该调速参数通过本发明的速度调节方法作用于基准插补指令即可。

依次执行所有示教轨迹直至到达最后一条轨迹的目标位置，机器人完成一次完整的作业过程。机器人最终的作业速度与输入的调速参数的大小成正比：调速参数的值越大，机器人的作业速度越快，反之亦然。调速参数的默认值为100％，机器人以该默认值运行时速度最快；当需要观察机器人慢速运行情况时，则通过发送调速命令降低调速参数的值，达到控制机器人低速运行的效果。

本发明中的方法，首先基于示教轨迹解析出路径的目标位置和设定速度等运动要素，经过轨迹规划和插补模块得到控制周期与基准插补指令的对应插补序列关系，然后利用调试监控终端实时发送调速命令，对基准插补指令进行修正，其修正规律是关于调速参数和速度变化率的非线性曲线。机器人控制系统通过对调速参数的实时响应，不断修正基准插补指令，机器人加工时只需示教出标准工序，再通过调速命令，就可以控制机器人以期望的速度进行作业。

在机器人控制系统中，当由一个目标速度调整到另一个目标速度时，如果插补模块直接接受调速命令的修改，那么输出的速度、加速度会存在跳变，插补输出不连续。本发明中的方法为了保证输出的速度、加速度的连续性，设计了从一个目标速度调整到另一个目标速度的动态过程，该方法首先通过当前的调速参数计算出本周期的目标插补速度，同时利用速度增量来限制速度的变化率，使得最终输出的控制曲线变化平滑，不会存在“阶梯”状的突变，保证了机器人作业过程中控制指令的平滑性，控制效果柔和，机器人走过的加工轨迹光滑、无抖动，能够有效保证加工工件的质量，延长机器人的工作寿命。

本发明的有益效果是：本发明提供的机器人运行速度实时调节方法，首先通过示教轨迹解析出运动要素，对此进行轨迹规划和插补，再利用输入的调速参数对插补指令进行修正，达到实时调速的目的。在机器人整个作业过程中，根据本发明方法修正的控制指令曲线能够平滑、连续的变化，使得机械系统受力无冲击、无突变，控制效果柔和，减小了运动部件的损耗。同时，该方法的控制逻辑简单、计算量小，符合机器人控制系统实时性的控制要求。另外，按照本发明方法进行调速，机器人现场操作人员只需按照实际工况示教出标准工序，之后通过调试监控终端发送不同的调速命令，机器人控制系统通过响应接收到的调速参数就能达到改变机器人运行速度的效果，这极大的简化了操作人员的工作复杂度，符合现场加工习惯，提高了现场加工效率，有利于机器人的标准化作业。本发明提供的机器人运行速度实时调节方法，实时性强、控制效果好，能很好的适用于工业机器人的现场应用。

附图说明

图1为本发明方法的控制流程图。

图2为本发明方法在一种应用场景下机器人的运行速度效果图。

图3为本发明方法在另一种应用场景下机器人的运行速度效果图。

图4为本发明方法具体实施例中焊接作业的加工轨迹。其中：M是机器人当前位置，N是机器人停止位置，A、B、C、D是四个目标位置。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明方法做进一步详细说明。

本发明的应用对象是机器人，机器人在工位上进行自动化作业时，操作人员需要根据特定的作业要求，通过调试监控终端，编程给出机器人作业所需的各项操作步骤，之后按照示教好的轨迹控制机器人进行自动加工作业，实现对机器人的运动控制。

本发明针对机器人运动过程中的速度控制给出一种机器人运行速度实时调节方法，具体实施包括以下步骤：

操作人员根据作业要求，通过机器人调试监控终端，通常是手持示教器，示教出机器人作业所需要的加工轨迹，一次作业可以对应一条加工轨迹，也可以对应多条加工轨迹。

例如：机器人进行一次焊接作业，焊接一个方形工件，操作人员通过手持示教器示教出该工件的焊接路径由几条直线组成，对应的目标位置分别为A、B、C、D、N，同时设定所有路径均按照机器人控制系统所允许的最大速度和最大加速度运动，将此焊接工序表示为：

[Line，TargetPoint_A，VelSet_SysMax，AccSet_SysMax]

[Line，TargetPoint_B，VelSet_SysMax，AccSet_SysMax]

[Line，TargetPoint_C，VelSet_SysMax，AccSet_SysMax]

[Line，TargetPoint_D，VelSet_SysMax，AccSet_SysMax]

[Line，TargetPoint_N，VelSet_SysMax，AccSet_SysMax]

对于本次焊接作业工序，将机器人当前所在位置记为M。首先，机器人需要从当前所在位置移动到安全并适合作业准备的位置A；随后机器人到达焊接起点位置B，并沿着工件的轮廓进行焊接直到到达焊接终点位置C；之后把机器人移动到不碰触工件和夹具的位置D，并最终停止在远离工件的位置N。

示教完成后，机器人控制系统获取本次焊接作业对应的所有轨迹，从中解析出每条轨迹包含的运动要素。本次作业过程由多条直线轨迹构成，轨迹的位移分别为MA、AB、BC、CD、DN。连续执行这几条轨迹完成一次焊接作业。

机器人控制系统根据每条轨迹的类型、位移、速度等运动要素，对上述轨迹进行处理，规划出从作业起点到作业终点的所有轨迹。根据已规划好的轨迹，插补模块计算每条加工轨迹的插补指令。

机器人控制系统接收当前的调速命令，以规划好的插补指令为基础，根据本发明的速度调节方法对基准插补指令进行速度调节，经过速度调节处理之后得到最终的修正插补指令。

从轨迹示教完成之后到启动焊接命令沿焊接路径进行自动焊接加工，操作人员经常会根据现场工况需要，以不同的速度执行示教轨迹，以适应不同的工况要求。现以一种应用场景下机器人的运行速度调节为例说明本发明方法，即：在焊接作业开始时刻，操作人员通过手持示教器发出40％的调速命令，此后目标速度不变。

按照本发明的速度调节方法，根据实时获取的调速参数ovr，对机器人运行过程中的基准插补速度指令v(t)进行修正。在焊接的开始时刻，机器人控制器收到的实时调速参数ovr＝40％，根据本发明方法的速度调节规律，将插补速度指令修正为ovr*v(t)，并且该值满足本发明方法中的速度修正限制条件。同时，控制器之后收到的目标速度不变。因此，从焊接起点直至焊接终点，机器人均以基准插补速度的40％进行作业。在这种应用场景下，操作人员一般通过观察机器人在较低速度下的焊接质量来判断是否需要调整此后的焊接工序。如果该速度下焊接出的工件符合要求，此后就可以通过调速命令提高焊接速度，在高速下进行批量工件作业。

如果机器人作业过程中需要再次改变运行速度时，上述步骤中的轨迹规划和基准插补指令都无需变化，只需要实时获取新的调速命令，再将最新的调速参数通过本发明的速度调节方法作用于基准插补指令即可。通过以上步骤，机器人控制系统实现了对运行速度的实时调节。

本发明中的方法，使得机器人的操作符合现场加工习惯，现场操作人员只需通过手持示教器发出调速命令，就可以方便、快捷的控制机器人以不同的速度作业，且控制指令曲线平滑，控制效果柔和，有效的保证了现场工件的加工质量，提高了机器人产线的生产效率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和方案改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

图1为本发明方法的控制流程图，图2为本发明方法在一种应用场景下机器人的运行速度效果图，即：在作业开始时刻收到40％的调速命令，此后目标速度不变。图3为本发明方法在另一种应用场景下机器人的运行速度效果图，即：在刚开始作业的某个时刻收到15％的调速命令，达到目标速度并运行一段时间后，再次收到80％的调速命令，此后目标速度不变。图4为本发明方法具体实施例中焊接作业的加工轨迹，轨迹行进方向按照图中箭头所示。