机器人轨迹规划方法和机器人与流程

本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种机器人轨迹规划方法和一种机器人。

背景技术：

机器人大多采用多个伺服电机为各个关节提供动力，在机器人工作过程中，多自由度关节协同工作形成工具末端需要到达的空间位置和姿态。当前机器人带动末端工具按编程规划的路径运动到达终点位置和目标姿态，要将三维空间的目标位置和姿态分解到各个旋转电机上，实现运动目标。关节自由度越多，各个电机协同控制时实现规划的路径控制算法越复杂。想要实现机器人的一组新的路径，尤其是自定义路径的形成，需要进行大量的编程工作，并且受限于机器人已经内置的标准轨迹组合。

技术实现要素：

本发明为解决目前想要实现机器人的一组新的路径，尤其是自定义路径的形成，需要进行大量的编程工作，并且受限于机器人已经内置的标准轨迹组合的技术问题，提供了一种机器人轨迹规划方法和一种机器人。

本发明采用的技术方案如下：

一种机器人轨迹规划方法，包括以下步骤：控制机器人处于零重力拖动模式，并对所述机器人施加外部拖动力；在所述外部拖动力的作用下，记录所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度；以记录的所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度实现所述机器人的轨迹规划。

控制机器人处于零重力拖动模式，具体包括：获取重力矩补偿所需电流和摩擦力矩补偿所需电流，并对所述机器人的各个关节电机施加所述重力矩补偿所需电流和所述摩擦力矩补偿所需电流，以控制所述机器人处于零重力拖动模式。

通过各个关节的驱动器将所述各个关节电机的位置通过总线实时发送给机器人控制器以记录所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度。

所述机器人为与人共融协作机器人，由人对所述机器人末端施加所述外部拖动力。

以记录的所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度实现所述机器人的轨迹规划，具体包括：对记录的所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度进行复现，并重复执行。

一种机器人，包括机器人本体和机器人控制器，所述机器人本体包括多个关节和对应所述多个关节设置的多个关节电机，所述机器人控制器控制机器人处于零重力拖动模式，并在对所述机器人施加外部拖动力时记录所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度，以及以记录的所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度实现所述机器人的轨迹规划。

所述机器人控制器获取重力矩补偿所需电流和摩擦力矩补偿所需电流，并对所述机器人的各个关节电机施加所述重力矩补偿所需电流和所述摩擦力矩补偿所需电流，以控制所述机器人处于零重力拖动模式。

所述机器人本体还包括对应所述多个关节设置的多个驱动器，所述机器人控制器接收各个关节的驱动器通过总线实时发送的所述各个关节电机的位置，以记录所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度。

所述机器人为与人共融协作机器人，由人对所述机器人末端施加所述外部拖动力。

所述机器人控制器对记录的所述机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度进行复现，并重复执行。

本发明的有益效果：

本发明通过控制机器人处于零重力拖动模式，并在对机器人施加外部拖动力时记录机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度，以及以记录的机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度实现机器人的轨迹规划，由此，能够方便快速地实现机器人的轨迹规划，能够更好地适用于对轨迹的自定义要求较高和轨迹更换过程非常频繁的应用场合。

附图说明

图1为本发明实施例的机器人轨迹规划方法的流程图；

图2为本发明一个实施例的单连杆机构受力分析示意图；

图3为本发明一个实施例的电机运动过程受力分析示意图；

图4为本发明另一个实施例的电机运动过程受力分析示意图；

图5为本发明一个具体实施例的各个关节电机的运动轨迹示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的机器人轨迹规划方法，包括以下步骤：

s1，控制机器人处于零重力拖动模式，并对机器人施加外部拖动力。

本发明实施例的机器人包括机器人本体和机器人控制器，机器人本体包括多个关节(例如四个或六个)、对应多个关节设置的多个关节电机以及对应多个关节设置的多个驱动器。

具体地，可获取重力矩补偿所需电流和摩擦力矩补偿所需电流，并对机器人的各个关节电机施加重力矩补偿所需电流和摩擦力矩补偿所需电流，以控制机器人处于零重力拖动模式。

下面详细介绍机器人零重力拖动的模型算法。

通过简化连杆模型，以图2建立的单连杆机构为例进行受力分析。通过模型分析机器人的常量矩阵ic的测量方法，ic的测量精度直接影响重力矩补偿所需电流ig的精度。

针对某个具体关节，控制关节电机，保持在某个位置上，此时，电机的检测电流中不仅包含克服关节重力矩的电流，还包括克服关节摩擦力作用产生的电流。可从测量所得的电流中分离出补偿重力矩所需的电流和补偿摩擦力矩所需的电流。

为了简化求解过程，以图2所示的单连杆机构来分析机器人重力矩：

tg＝m·f(q)(1)

在式(1)两边分别除以电机转矩灵敏度km，可得：

式(2)左边为机器人关节任意位置实现重力矩补偿所需的电流，假设为ig。等式右边假设为ic·f(q)。

故令从而可将式(2)化简为：

ig＝ic·f(q)(3)

式(3)可以退化为如下表述方式

ig＝ic·cos(θ)(4)

式(4)中，假设ic为连杆处于水平位置时，如图2所示，平衡重力矩所需的电流值。当选取连杆旋转角度θ＝0时，可以测量得到常量矩阵ic。由于此时为单连杆机构，故常量矩阵ic为一维矩阵。

当连杆稳定维持在水平位置时，力矩平衡方程为(5)所示：

gx＝kmic+τf(5)

式(5)中，g为连杆重力，gx为连杆重力矩，方向如图2所示为顺时针方向，km为电机转矩灵敏度，ic为连杆维持在水平位置时，实际检测电流，kmic为连杆维持在水平位置时，实际检测电流所能产生的转矩，τf为关节摩擦力矩，相对运动方向不确定。

对式(5)进行求解，可得实际检测电流：

从式(6)中可以看出实际检测电流包含以下两个密不可分的部分：gx/km代表平衡重力矩所产生的电流，-τf/km代表平衡摩擦力矩所产生的电流。关节摩擦力矩τf∈[-τfmax,τfmax]，其中τfmax是关节的最大静摩擦力矩。

重力矩测量过程中，摩擦力矩对其影响较大。为了消除摩擦力对重力矩测量值得干扰，从实际检测电流中分离由重力矩产生的电流分量，设计一个特定的测量方法。通过简化机器人模型，以单连杆机构为实验分析对象。将被控电机控制在恒定的转速下，并在图3所示的两个状态1、2间往复低速摆动。状态1、2与水平位置0的夹角θ1＝θ2，且角度值极小，接近于0度。所以cosθ≈1，gxcosθ≈gx。

如图3所示，当电机从状态2运动到状态1，对该运动过程进行受力分析可得：

kmi2-1＝gxcosθ+τf1(7)

通过对式(7)的计算得到实际检测的电流为：

此时，式中的τf1为顺时针方向的摩擦力矩。

如图4所示，当电机从状态1运动到状态2，对该运动过程进行受力分析可得：

kmi1-2+gxcosθ＝τf2(9)

通过对式(9)的计算得到实际检测的电流为：

此时，式中的τf2为逆时针方向的摩擦力矩。

假设，整个旋转过程中，逆时针方向和顺时针方向的摩擦力大小相等，即式(8)、(10)中的mf1＝mf2。取式(8)、(10)中实际检测的电流值的平均值，得到重力矩产生的电流分量：

与此同时，摩擦力对应的电流分量可以一并得到：

式(11)与(12)成立的前提条件是连杆正转及反转的摩擦力矩相同。而真实情况下，摩擦力受多种因素的影响，不同状态下摩擦力大小不同。按照经验来看，摩擦可分为静摩擦力、黏滞摩擦和库仑摩擦。黏滞摩擦力的大小与速度成正比，并且当速度为0时，其值也为0，而库仑摩擦力的大小与法向载荷成正比，摩擦力方向与运动方向与接触面积无关。

其中，摩擦是一种没有通用规律的复杂物理现象，存在于两个相对运动的物体之间。所有的机械系统都存在摩擦，并且对性能有重要影响。由于其高度非线性特性，它经常导致稳态误差，降低系统的性能指标。本发明实施例根据经验公式主要考虑静摩擦、库伦摩擦和黏滞摩擦三个摩擦力的影响。静摩擦力τs指的是无相对运动，但与相对运动的趋势有关的一种摩擦。一般情况下，当外力τe的绝对值小于最大静摩擦力τs时，τf＝τe，但方向相反。当外力τe的绝对值大于或等于最大静摩擦力τs时，τf＝τs，方向与外部力是不同的。那么摩擦力τf可以被描述为：

库仑摩擦力τc＝μcτnsgn(v)，μc是库仑摩擦系数，τn是法向力，τc的方向与运动方向相反，与接触面积大小无关。

黏滞摩擦力τv＝μvv，μv是黏滞摩擦系数，一般情况下，库仑摩擦力模型可以与黏滞摩擦力模型相结合，形成τf＝μvv+μcτnsgn(v)。因此，无传感器碰撞检测的摩擦力模型可以用如下方式来描述：

在本发明的一个实施例中，机器人为与人共融协作机器人，可在机器人处于零重力拖动模式下，由人对机器人末端施加外部拖动力。

s2，在外部拖动力的作用下，记录机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度。

具体地，可通过各个关节的驱动器将各个关节电机的位置通过总线实时发送给机器人控制器以记录机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度。

以机器人本体包括六个关节电机为例，在某次随机拖动实验中记录的各个关节电机的运动轨迹如图5所示。

s3，以记录的机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度实现机器人的轨迹规划。

具体地，可对记录的机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度进行复现，并重复执行。对于复现过程，可将拖动时记录的位置数据按照顺序逐个下发，据此机器人完全复现示教的轨迹，并且各个位置启停，速度与拖动时的情况完全一致。对外部i/o或辅助轴的控制也可在拖动过程中记录插入路点位置，同步将外部i/o或辅助轴的控制添加到机器人的运动轨迹中。

根据本发明实施例的机器人轨迹规划方法，通过控制机器人处于零重力拖动模式，并在对机器人施加外部拖动力时记录机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度，以及以记录的机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度实现机器人的轨迹规划，由此，能够方便快速地实现机器人的轨迹规划，能够更好地适用于对轨迹的自定义要求较高和轨迹更换过程非常频繁的应用场合。

对应上述实施例，本发明还提出一种机器人。

本发明实施例的机器人，包括机器人本体和机器人控制器，机器人本体包括多个关节(例如四个或六个)、对应多个关节设置的多个关节电机以及对应多个关节设置的多个驱动器。机器人控制器可控制机器人处于零重力拖动模式，并在对机器人施加外部拖动力时记录机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度，以及以记录的机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度实现机器人的轨迹规划。

具体地，机器人控制器获取重力矩补偿所需电流和摩擦力矩补偿所需电流，并对机器人的各个关节电机施加重力矩补偿所需电流和摩擦力矩补偿所需电流，以控制机器人处于零重力拖动模式。机器人控制器可接收各个关节的驱动器通过总线实时发送的各个关节电机的位置，以记录机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度。

在本发明的一个实施例中，机器人为与人共融协作机器人，由人对机器人末端施加外部拖动力。

进一步地，机器人控制器对记录的机器人各个关节电机形成的运动轨迹和速度进行复现，并重复执行。

本发明的机器人的更具体实施方式可参照上述机器人轨迹规划方法的实施例，在此不再赘述。

根据本发明实施例的机器人，能够方便快速地实现轨迹规划，能够更好地适用于对轨迹的自定义要求较高和轨迹更换过程非常频繁的应用场合。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。