一种六轴机械臂的多路径段平滑过渡的控制方法及机械臂与流程

1.本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种六轴机械臂的多路径段平滑过渡 的控制方法及机械臂。


背景技术：

2.在汽车焊接领域中，机器人起着无与伦比的作用，在机器人在仿真过程中， 机器人的末端路径是多段多种路径的组合。在两段的衔接处，若是不针对性的 做处理，机器人将会出现不断的启停运动，即每段路径的起始速度和终止速度 都为零的情况，也意味着机器人在不停的加速和减速。这将极大的影响机器人 焊接的节奏，有碍于汽车生产的节拍。因此需要两段连接处即逼近段进行路径 规划。
3.路径规划方面，目前常用的方法有：三次多项式插值、五次多项式插值、 七次多项式插值，抛物线及基于动力学方程的方法。三次多项式存在四个限制 条件，能够实现速度、加速度的连续，但是在实际运用中，需要多条三次多项 式配合才能满足实际需求；五次多项式无法限制过程中的加速度、速度；七次 多项式可以保证加加速度连续，但是计算量太大；动力学方程法，在寻优过程 中容易进入死循环。
4.因此需要一种新的控制方法来对机器人进行操控。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的是要提供一种六轴机械臂的多路径段平滑过渡的控制方 法，使得六轴机械臂的六个轴能够实现同步运动。
6.特别地，本发明提供了一种六轴机械臂的多路径段平滑过渡的控制方法， 其特征在于，包括以下步骤：
7.获取六轴机械臂的各个轴的起始速度终止速度起始点位置终 止点位置和预设的加速度上限值am；
8.令各个轴的加速度a等于该轴所述加速度上限值am，根据起始速度终 止速度起始点位置终止点位置和预设的加速度上限值am，计算获得 各个轴平滑运动的最短总时间
9.将中最大值t
max
作为所述六轴机械臂的六个轴的同步运行时间；
10.比较各个轴的起始速度终止速度的大小；
11.在各个轴的起始速度大于终止速度时，采用以下公式一计算获得各个 轴的加速度：
12.13.在各个轴的起始速度小于终止速度时，采用以下公式二计算获得各个 轴的加速度：
[0014][0015]
对各个轴分别构建single s曲线，以对所述六轴机械臂中各个轴按照所述 single s曲线参数进行运动控制。
[0016]
进一步地，所述令各个轴的加速度a等于该轴所述加速度上限值am，根据 起始速度终止速度起始点位置终止点位置和预设的加速度上限 值am，计算获得各个轴平滑运动的最短总时间的步骤中，令所述六轴机械 臂以的运动方式运行。
[0017]
进一步地，所述六轴机械臂中每个轴均包括变速段和匀速段；
[0018]
所述令各个轴的加速度a等于该轴所述加速度上限值am，根据起始速度终止速度起始点位置终止点位置和预设的加速度上限值am， 计算获得各个轴平滑运动的最短总时间的步骤中，每个轴平滑运动的最短总 时间的计算方法包括如下步骤：
[0019]
采用以下公式计算得到所述变速段中各个段的位移；
[0020][0021]
采用以下公式计算得到所述匀速段的位移；
[0022]
q(ti)＝v3t
u 0＜tu＜tuꢀꢀ
公式六
[0023]
其中，q0为最初机械臂的位置；j为加加速度；q1为第一段运动后机械臂 的位置；v1为第一段运动后机械臂的速度；q2为第二段运动后机械臂的位置，v2为第二段运动后机械臂的速度，v3为第三段运动后机械臂的速度。
[0024]
根据每段位移内的时间t1、t2、t3和tu，将t1、t2、t3和tu相加计算得出 起始点qs到终止点qe的总时间t
all
，
[0025]
进一步地，所述计算获得各个轴平滑运动的最短总时间的步骤中，还包 括以下步骤：
[0026]
在各个轴的起始速度小于终止速度时，采用以下公式计算得出加加速 度j与最短总时间t
all
的关系式：
[0027]
[0028]
在各个轴的起始速度大于终止速度时，采用以下公式计算得出加加速 度j与最短总时间t
all
的关系式：
[0029][0030]
进一步地，根据所述每个轴的加加速度j计算得出该轴的加速度a。
[0031]
进一步地，所述获取六轴机械臂的各个轴的起始速度终止速度起 始点位置终止点位置和预设的加速度上限值am的步骤中还包括以下步骤：
[0032]
通过获取机械臂运动后的各阶段的位置和逼近百分比从而计算出六轴机械 臂中各个轴的起始点位置和终止点位置
[0033]
进一步地，所述对各个轴分别构建single s曲线，以对所述六轴机械臂中 各个轴按照所述single s曲线进行运动控制的步骤中，还包括以下步骤：
[0034]
通过每个轴的加速度a计算得出该轴的single s曲线参数。
[0035]
进一步地，还包括：所述single s曲线参数通过rsi进行数据传输，将所 述各个轴的参数传送给所述六轴机械臂中的各个轴。
[0036]
本发明还公开了一种六轴机械臂，包括如上述所述的控制方法。
[0037]
本发明通过获取六轴机械臂中最大平滑过渡时间，并将该时间作为机械臂 六个轴统一的逼近时间，进而确定每个轴在该逼近时间下的加加速度j、加速 度a，进而对每个轴分别构建single s曲线，以对所述六轴机械臂中各个轴按照 所述single s曲线参数进行运动控制，从而使得六轴机械臂的六个轴能够实现 同步运动。
[0038]
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会 更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0039]
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实 施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人 员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0040]
图1是根据本发明一个实施例的流程示意图；
[0041]
图2是根据本发明一个实施例的逼近段与非逼近段的关系图；
[0042]
图3是根据本发明一个实施例的平时速度与时间的关系图；
[0043]
图4是根据本发明一个实施例的单轴逼近效果图。
具体实施方式
[0044]
图1是根据本发明一个实施例的流程示意图。在一个实施例中，如图1所 示，一种六轴机械臂的多路径段平滑过渡的控制方法，主要包括以下步骤：
[0045]
获取六轴机械臂的各个轴的起始速度终止速度 起始点位置终止点位置
和预设的加速度上限值am；
[0046]
令各个轴的加速度a等于该轴加速度上限值am，根据起始速度终止速 度起始点位置终止点位置和预设的加速度上限值am，计算获得各个 轴平滑运动的最短总时间
[0047]
将中最大值作为六轴机械臂的六个轴 的同步运行时间；
[0048]
比较各个轴的起始速度终止速度的大小；
[0049]
在各个轴的起始速度大于终止速度时，采用以下公式一计算获得各个 轴的加速度：
[0050][0051]
在各个轴的起始速度小于终止速度对，采用以下公式二计算获得各个 轴的加速度：
[0052][0053]
对各个轴分别构建single s曲线，以对六轴机械臂中各个轴按照single s 曲线参数进行运动控制。
[0054]
本实施例中，通过获取六轴机械臂中最大平滑过渡时间，并将该时间作为 机械臂六个轴统一的逼近时间，进而反推确定每个轴在该逼近时间下的加速度 a，进而对每个轴分别构建single s曲线，以对所述六轴机械臂中各个轴按照所 述single s曲线参数进行运动控制，从而使得六轴机械臂的六个轴能够实现同 步运动。
[0055]
进一步地，如图2所示，为了构建single s曲线，首先要确定每个轴的起 始点位置和终止点位置通过获取机械臂运动后的各阶段的位置和逼近百 分比来计算起始点和终止点的位置：
[0056]
起始点qs＝(q3-q2)*(1-0.5*逼近百分比)；
[0057]
终止点qe＝(q3-q2)*(0.5*逼近百分比)+q2；
[0058]
起始点速度vs为当前非逼近路径匀速段的速度，加速度as为零；
[0059]
终止点速度ve为下一条非逼近路径匀速段的速度，加速度ae为零；
[0060]
进一步地，如图3和图4所示，为了便于阐述本发明的原理和内容，下面 以六轴机械臂中的单个轴举例说明。为获取每个轴的平滑运动的最短总时间t
all
， 则需要获取不同的平均速度对时间的影响，由图2可以得出，在进行规划过程 中，为了能以更少的时间到达目的地，尽量以较大速度走一段，然后再进行速 度上的变化。因此，以的运动方式运动的总时间t
all
最短，继而，轨迹 规划分为两段：匀速段和变速段；
[0061]
变速段采用三段三次多项式实现。下面对各个阶段的表达式进行分析，设： ti(i
＝1，2，3)为变速三段局部时间，ti(i＝1，2，3)为三段运行时间。匀速段的局部 时间为tu，tu为匀速运行时间。假定每段加加速度(j)恒定，对其积分得到加 速度：
[0062][0063]
匀速段：
[0064]
a(ti)＝00＜tu＜tu[0065]
对每一段的加速度积分得到速度：
[0066][0067]
匀速段：
[0068]
v(ti)＝v
3 0＜tu＜tu[0069]
对每一段速度积分得到位移：
[0070][0071]
匀速段：
[0072]
q(ti)＝v3t
u 0＜tu＜tuꢀꢀ
公式六
[0073]
其中：q0为最初机械臂的位置；j为加加速度；q1为第一段运动后机械臂 的位置；v1为第一段运动后机械臂的速度；q2为第二段运动后机械臂的位置，v2为第二段运动后机械臂的速度，v3为第三段运动后机械臂的速度。
[0074]
现有的已知条件为：初始速度vs、终止速度ve、初始位置qs、终止位置qe和 加速度上限值am，进而求解未知参数j、t1、t2、t3、tu[0075]
根据速度变化方式进行分类求解未知参数：
[0076]
a)当起始点速度vs小于终止点速度ve时：
[0077]
为了使平均速度最大化，应先加速运动，再做匀速运动。即上述。v3＝ve， t4＝tu，j＞0，am＞0
[0078]
求得：
[0079][0080]
令t
all
＝t1+t2+t3+tu，则换算求出t
all
与j的关系式
[0081]
[0082][0083][0084][0085]
tu＝t
all-(t1+t2+t3)
ꢀꢀ
公式十二
[0086]
b)当起始点速度vs大于终止点速度ve时，同理可知：
[0087]
为了使平均速度最大化，求解平滑过渡最短时间tu，应先匀速运动，再做 减速运动。即上述中v3＝vs，t0＝tu，j＜0，am＜0，
[0088]
求得：
[0089][0090][0091][0092][0093]
tu＝t
all-(t1+t2+t3)
ꢀꢀ
公式十七
[0094]
由于逼近的时间是与设置的加速度上限值存在关系的。加速度上限值越大， 逼近时间越短。相反，上限值越小，逼近时间越长。此外，可以通过时间值反 推其加速度上限值，通过计算获取每个轴的逼近过程的总时间t
all
，确定最大时 间t
max
，令每个轴的逼近总时间相同，进而可以反推每个轴single s曲线的a，
[0095]
依据single s曲线特性进行推导，推导结果如下：
[0096]
起始点速度vs大于终止点速度ve时，求得
[0097][0098]
起始点速度vs小于终止点速度ve时，求得
[0099][0100]
进而对每个轴分别进行single s曲线进行构建，此外，将构建好的数据通 过rsi进行数据传输，将各个轴的参数传送给六轴机械臂中的各个轴，以实现 对六轴机械臂的控制。
[0101]
如图4所示，机械臂中单个轴的有逼近运动效果和无逼近运动效果对比， 如图所示，当机械臂进行逼近运动时，保证了六个轴的加速度连续性且限制过 程中速度和加速度，不会出现速度、加速度过大的情况，有效地提升了电机的 使用寿命。
[0102]
本发明还公开了一种六轴机械臂，包括如上述所述的控制方法。
[0103]
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的 多个示
例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本 发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因 此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。