一种机器人外部运动路径控制方法与流程

本发明涉及一种机器人外部运动路径控制方法，属于机器人控制领域。

背景技术：

目前，工业机器人的技术发展十分迅速，机器人已经成为一种标准设备被工业界广泛使用。机器人应用领域的覆盖范围非常全面，工业机器人自动化生产线成套设备已经成为自动化装备的主流。汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率。

工业机器人的作业过程，可以分成不同的运动类型，常见的运动类型包括点到点运动和路径跟踪运动。点到点运动关注的是机器人关节的起始位置和目标位置，对机器人末端的路径没有限制；而路径跟踪运动则关注机器人末端的运动路径，在笛卡尔空间中具有唯一的运动轨迹。路径跟踪运动包括直线运动和圆弧运动，点到点运动和路径跟踪运动分别通过机器人控制器中的点到点指令及直线指令和圆弧指令，实现对机器人相应动作的控制。

随着技术的进一步发展，机器人出现了越来越多的高级应用需求。机器人的应用日趋广泛，上述简单规则型路径已经不能完全满足机器人各种应用场合的需求。例如：使用chrip信号进行扫频，分析被控对象的带宽；利用傅里叶级数进行信号激励；特定场合的恒速控制；使用阶跃信号进行机器人动态响应分析；对特定轨迹进行模拟，比如：弹球轨迹、海浪轨迹、颠簸地面车辆起伏运动轨迹等等。这些复杂的机器人应用中都需要更高级的运动控制。以机器人动力学控制为例，机器人的生产装配误差、关节间隙及臂杆柔性等因素，都会降低机器人的末端精度。为了提高机器人的作业精度，有必要对机器人运动学参数进行辨识。通过机器人运动学模型及误差模型进行参数辨识时，需要根据参数指定激励轨迹，该激励轨迹具有一定限制，需要机器人各关节按照特定的曲线进行连续运动，这些曲线要尽量覆盖机器人臂展所能到达的全部工作空间，激励轨迹的设计还要满足其它特定条件。对于这样的轨迹，通过示教点到点运动或者笛卡尔空间的直线运动和圆弧运动是无法完成的。在越来越多的机器人复杂应用中，运动轨迹不再由简单规则型路径组成，需要更复杂的曲线才能满足应用需求。

机器人控制中对于由复杂曲线组成的路径，目前的做法是：通过特定的轨迹生成软件，预先将这些复杂曲线按照给定的精度要求分成大量的直线或圆弧段，再由机器人控制系统对这些直线或圆弧段进行解析和执行，这样就能实现机器人沿着复杂曲线的运动。但是，这种方法首先需要将复杂曲线进行分解，生成机器人控制器能够识别的直线或圆弧段，一般需要配合使用特定的轨迹生成软件。同时，还需要在机器人控制器中逐条建立与这些分解后的直线或圆弧段相对应的运动指令，操作步骤十分繁琐且工作量巨大。另外，由于复杂曲线分解的越密，路径的轨迹精度越高，为了达到所需的加工精度，复杂曲线会被分解成多条小直线或者小圆弧。而机器人控制器在执行这些分解后的小线段时，会频繁的进行线段解析和轨迹规划，机器人的运行速度受到指令解析快慢的影响，指令解析器的执行上限决定了最终机器人的运行速度。此外，为了保证机器人能达到一定的运动速度，机器人控制器中需要同时存储多条小线段，控制器存储的小线段越多，机器人可能达到的运行速度越高，反之，控制器存储的小线段越少，机器人可能达到的运行速度越低。每条小线段都包含大量的的运动参数，包括线段的起点、终点位置及速度和加速度等运动信息，这就要求机器人控制器具有很强的存储能力，而机器人控制器的存储空间是有限的。因此，机器人的运行速度也受到控制器存储部件的限制。此外，机器人控制器存储能力越高，存储部件的价格也越高，使用存储能力高的控制器直接影响着机器人控制器的制造成本。综上所述，对于由复杂曲线组成的路径，目前的机器人控制中无法给出合适的能够满足高速、高精度且成本经济的解决方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术在机器人控制中运动指令类型有限，只能实现简单规则型路径的运动，无法有效执行复杂曲线运动的问题，本发明提供一种机器人外部运动路径控制方法，机器人控制器通过接收外部输入的运动路径的控制信号，经过控制器中的信号处理模块和运动学模块处理成执行器可接收的数据，实现机器人沿着用户自定义的复杂路径曲线的运动，而不仅仅限定于机器人控制器中的简单规则型路径的运动。由于外部输入控制信号的可变性及多样化，为了保障机器人的运行安全，本发明方法同时包括软件安全保护模块，对接收到的控制信号进行安全校验及数据校正，如果控制信号不能满足机器人的正常运行，则对控制信号进行数据校正。通过机器人控制器中增加软件安全保护模块，使得机器人外部运动路径控制的工作过程具备良好的安全性，满足工业机器人的安全作业标准，有效保障机器人设备及操作人员的人身安全。

本发明提供一种机器人外部运动路径控制方法，具体步骤如下：

对于机器人高级应用中所需要的复杂曲线组成的路径，机器人控制系统提供信号输入接口，接收外部控制信号，所述外部控制信号为速度控制信号或位置控制信号。机器人控制器以系统控制周期为准进行数据读取，将该信号作为控制器的给定信号。

机器人控制系统中的信号处理模块对获取到的外部控制信号进行转化。如果外部输入的控制信号是笛卡尔空间的速度信号，则通过积分运算器得到相对应的位置控制信号；如果外部输入的控制信号是笛卡尔空间的位置信号，则通过微分运算器得到相对应的速度控制信号。

机器人控制器中的运动学模块，将上述笛卡尔空间的位置信号和速度信号解算成关节的位置和速度信息，作为关节的位置和速度给定信号。

机器人控制器中的软件安全保护模块，对关节的位置和速度信息进行安全校验及数据校正，如果关节的位置和速度信息不能满足机器人的正常运行，则对控制信号进行数据校正。软件安全保护模块包括：运动参数校验模块、限位校验模块、安全停机模块和报警模块。

运动参数校验模块对机器人各关节的速度和加速度进行校验。对于机器人各关节的速度给定信号，通过微分计算器得到机器人各关节的加速度给定信号。机器人各个关节的加速度给定不能超过各关节预设的最大加速度值，如果某个关节的加速度给定超过了该关节预设的最大加速度，则将加速度给定校正为关节预设的最大加速度，再通过积分计算器得到相对应的关节速度给定。机器人各个关节的速度给定不能超过各关节预设的最大速度值，如果某个关节的速度给定超过了该关节预设的最大速度，则将速度给定校正为关节预设的最大速度。

限位校验模块对机器人各关节的软限位进行校验。关节软限位包括正软限位和负软限位。机器人各个关节的位置给定不能超过各关节预设的软限位值，如果某个关节的位置给定超过了该关节预设的软限位值，则位置给定的最大值只能为关节的正软限位值，位置给定的最小值只能为关节的负软限位值。

安全停机模块对外部控制信号的正常性进行检查，如果外部输入的信号有信号丢失或者信号失效等异常情况，则机器人控制器不再接收外部控制，同时启动控制器内部的安全停机机制，此时，如果机器人仍有关节在运动过程中，则按照该运动关节的最大加速度进行减速停机保护；如果机器人各关节已处于停止状态，在外部控制信号未复位成正常信号前，机器人各关节不再启动运行。

报警模块实时检测机器人工作过程中的运行情况，如果输入的外部控制信号导致机器人运行异常，则控制器报警并提供相应的报警原因用于故障排查。报警至少包括以下几种情况：外部控制信号导致机器人运动超过关节最大速度；外部控制信号导致机器人运动超过关节最大加速度；外部控制信号导致机器人运动超关节正软限位；外部控制信号导致机器人运动超关节负软限位。

将经过软件安全保护模块校验后的控制信号，通过执行器给到伺服驱动器，控制机器人操作臂动作，使得机器人沿着外部给定的控制信号进行运动，实现机器人对外部给定复杂路径的跟踪。

本发明提供一种机器人外部运动路径控制方法，机器人控制器通过接收外部输入的运动路径的控制信号，实现机器人沿着复杂路径曲线的运动，其步骤如下：

步骤1.机器人控制系统提供信号输入接口，接收外部控制信号，所述外部控制信号为速度控制信号或位置控制信号；

步骤2.机器人控制系统中的信号处理模块对获取到的外部控制信号进行转化，得到笛卡尔空间的位置信号和速度信号；如果外部输入的控制信号是笛卡尔空间的速度信号，则通过积分运算器得到相对应的位置控制信号；如果外部输入的控制信号是笛卡尔空间的位置信号，则通过微分运算器得到相对应的速度控制信号；

步骤3.机器人控制器中的运动学模块，将笛卡尔空间的位置信号和速度信号解算成关节的位置和速度信息，作为关节的位置和速度给定信号；

步骤4.将关节的位置和速度给定信号，通过执行器给到伺服驱动器，控制机器人操作臂动作，实现机器人对外部给定复杂路径的跟踪。

进一步优化方案是：步骤3.机器人控制器中的软件安全保护模块，对解算的关节的位置和速度信息进行安全校验及数据校正，如果解算的关节的位置和速度信息不能满足机器人的正常运行，则对解算的关节的位置和速度信息进行数据校正，校验后的关节的位置和速度信息作为关节的位置和速度给定信号，通过执行器给到伺服驱动器，控制机器人操作臂动作，实现机器人对外部给定复杂路径的跟踪。

所述软件安全保护模块包括：运动参数校验模块、限位校验模块和安全停机模块；

运动参数校验模块对机器人各关节的速度和加速度进行校验；对于解算的机器人各关节的速度信息，通过微分计算器得到机器人各关节的加速度给定信息；机器人各个关节的加速度给定不能超过各关节预设的最大加速度值，如果某个关节的加速度给定超过了该关节预设的最大加速度，则将加速度给定校正为关节预设的最大加速度，再通过积分计算器得到相对应的关节速度给定；机器人各个关节的速度给定不能超过各关节预设的最大速度值，如果某个关节的速度给定超过了该关节预设的最大速度，则将速度给定校正为关节预设的最大速度；

限位校验模块对机器人各关节的软限位进行校验，所述关节软限位包括正软限位和负软限位，机器人各个关节的位置给定不能超过各关节预设的软限位值，如果某个关节的位置给定超过了该关节预设的软限位值，则位置给定的最大值只能为关节的正软限位值，位置给定的最小值只能为关节的负软限位值；

安全停机模块对外部控制信号的正常性进行检查，如果外部输入的信号有信号丢失或者信号失效等异常情况，则机器人控制器不再接收外部控制，同时启动控制器内部的安全停机机制，此时，如果机器人仍有关节在运动过程中，则按照该运动关节的最大加速度进行减速停机保护；如果机器人各关节已处于停止状态，在外部控制信号未复位成正常信号前，机器人各关节不再启动运行。

所述软件安全保护模块还包括报警模块，所述报警模块实时检测机器人工作过程中的运行情况，如果输入的外部控制信号导致机器人运行异常，则控制器报警并提供相应的报警原因用于故障排查；报警至少包括以下几种情况：外部控制信号导致机器人运动超过关节最大速度；外部控制信号导致机器人运动超过关节最大加速度；外部控制信号导致机器人运动超关节正软限位；外部控制信号导致机器人运动超关节负软限位。

本发明提供的机器人外部运动路径控制方法，通过机器人控制系统提供的信号输入接口，获取外部运动路径的控制信号，实现机器人沿着用户自定义的复杂路径曲线的运动。本发明方法使得机器人控制系统具有极大的开放性，用户可以通过外部控制信号来指定机器人的动作，而不再仅仅限定于使用机器人控制器中简单规则型路径的运动指令。同时，本发明方法使得机器人控制系统具备很强的灵活性，用户可以根据不同的应用需求，设计适合该应用场合的控制信号，只要信号能满足机器人正常动作要求，机器人控制系统就可以执行，极大的方便了不同应用场合的定制需求。另外，本发明方法的软件安全保护模块，对外部输入的控制信号进行安全校验和数据校正，实时监控机器人的运行状态，对机器人运行过程中的异常进行安全保护和报警，有效保障了机器人工作时的人机安全。本发明方法使得机器人控制器具有高精度、高可靠性、高效率的特点，同时满足客户操作简单、机器人控制器高效稳定的需求，还能有效降低机器人控制器的制造成本，为机器人工程应用提供了有效的解决方案。

附图说明

图1为本发明方法优化方案的控制流程框图。

图2为本发明方法实施例中机器人外部运动路径控制信号图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

下面结合通用六关节机器人，说明本发明方法的具体实现方法。

通用六关节机器人是一种链式结构的工业机器人，是最常见的工业机器人之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，例如：自动装配、喷漆、搬运、焊接、机床切削、特种装配等工作。这种类型的机器人包含6个旋转轴，各轴配合可以实现空间的定位和定向运动。由于通用六关节机器人的广泛应用，现有机器人控制器中的标准运动指令类型已经不能完全满足其所有的应用场合。

以通用六关节机器人在动力学控制的应用为例，为了提高机器人的末端精度，需要对机器人运动学参数进行辨识。通过机器人运动学模型及误差模型进行运动学参数辨识时，需要根据参数指定激励轨迹，作为机器人各个关节的给定轨迹。

根据本发明所述方法，首先按照机器人动力学参数辨识的要求，设计不同的多谐正弦曲线作为各关节的给定轨迹，分别记为(ts1)、(ts2)、(ts3)、(ts4)、(ts5)和(ts6)，轨迹对应末端执行机构的速度在一定范围内变化，且保证机械臂不触地，所设计的关节轨迹如下：

轨迹(ts1)：

q1(t)=0.1+0.2*cos(0.314*t)+0.3*cos(0.628*t)+0.3*cos(0.942*t)

-0.3*cos(1.256*t)+0.1*sin(0.314*t)-0.3*sin(0.628*t)+0.2*sin(0.942*t)

+0.2*sin(1.256*t);

轨迹(ts2)：

q2(t)=0.3-0.1*cos(0.314*t)+0.1*cos(0.628*t)+0.2*cos(0.942*t)

-0.3*cos(1.256*t)-0.1*sin(0.314*t)-0.2*sin(0.628*t)

+0.2*sin(0.942*t)+0.1*sin(1.256*t);

轨迹(ts3)：

q3(t)=-1.5-0.2*cos(0.314*t)-0.2*cos(0.628*t)+0.2*cos(0.942*t)

+0.2*cos(1.256*t)+0.3*sin(0.314*t)-0.2*sin(0.628*t)

+0.2*sin(0.942*t)+0.1*sin(1.256*t);

轨迹(ts4)：

q4(t)=0.1-0.4*cos(0.314*t)-0.3*cos(0.628*t)+0.4*cos(0.942*t)

-0.3*cos(1.256*t)+0.2*sin(0.314*t)+0.4*sin(0.628*t)

+0.2*sin(0.942*t)-0.3*sin(1.256*t);

轨迹(ts5)：

q5(t)=-0.1+0.3*cos(0.314*t)-0.1*cos(0.628*t)-0.3*cos(0.942*t)

-0.2*cos(1.256*t)-0.2*sin(0.314*t)+0.2*sin(0.628*t)

+0.1*sin(0.942*t)-0.2*sin(1.256*t);

轨迹(ts6)：

q6(t)=-0.5+0.6*cos(0.314*t)-0.6*cos(0.628*t)-0.4*cos(0.942*t)

-0.3*cos(1.256*t)-0.6*sin(0.314*t)-0.6*sin(0.628*t)

+0.4*sin(0.942*t)-0.3*sin(1.256*t);

其中：t为机器人控制周期，q1(t)、q2(t)、q3(t)、q4(t)、q5(t)、q6(t)分别为机器人各关节的给定位置。

根据以上多谐正弦曲线，生成笛卡尔空间的位置指令序列，作为机器人外部运动路径的控制信号。机器人控制系统通过信号输入接口接收该外部控制信号。

机器人控制系统中的信号处理模块对获取到的外部控制信号进行转化。外部输入的控制信号是笛卡尔空间的位置信号，因此，通过微分运算器得到相对应的速度控制信号。

机器人控制器中的运动学模块，将上述笛卡尔空间的位置信号和速度信号解算成关节的位置和速度信息。

机器人控制器中的软件安全保护模块，对关节的位置和速度信息进行安全校验及数据校正，如果关节的位置和速度信息不能满足机器人的正常运行，则对控制信号进行数据校正。

运动参数校验模块对机器人各关节的速度和加速度进行校验。对于机器人各关节的速度给定信号，通过微分计算器得到机器人各关节的加速度给定信号。经过验证，机器人各个关节的加速度给定不超过各关节预设的最大加速度值。机器人各个关节的速度给定不超过各关节预设的最大速度值。

限位校验模块对机器人各关节的软限位进行校验。关节软限位包括正软限位和负软限位。经过验证，机器人各个关节的位置给定不超过各关节预设的软限位值，各个关节的位置给定都在相应关节预设的负软限位和正软限位的范围之内。

安全停机模块对外部控制信号的正常性进行检查，如果外部输入的信号有信号丢失或者信号失效等异常情况，则机器人控制器不再接收外部控制，同时启动控制器内部的安全停机机制。在本发明实施例运行过程中，机器人控制器的信号接口通讯良好、外部控制信号完整无丢失，因此，没有触发机器人的减速停机保护功能。

报警模块实时检测机器人工作过程中的运行情况，外部输入的控制信号没有导致机器人发生运行异常的情况，控制器无报警发生，机器人各关节保持正常运行。

将经过软件安全保护模块校验后的控制信号，通过执行器给到伺服驱动器，控制机器人操作臂动作，使得机器人沿着外部给定的控制信号进行运动，实现机器人对外部给定复杂路径的跟踪。

通用六关节机器人执行该外部多谐正弦曲线的激励轨迹，通过观测机器人运动过程中的数据，实现机器人的动力学模型验证及参数分析。本发明方法提供的机器人外部运动路径控制方法，满足该应用场合对机器人运动控制的需求，有利于帮助提高机器人的运动精度，提升机器人的工作性能。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。