一种机器人连续点位运动规划方法及其运动控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种机器人连续点位运动规划方法，包括如下步骤：(1)确定至少两个数据点的运动信息；(2)在相邻两个数据点所形成的运动曲线上增加至少两个辅助点，以将运动曲线按时间等分为至少三个曲线段；(3)根据相邻两个数据点的运动信息以及辅助点的约束条件，确定边界条件；(4)基于三次样条函数与边界条件，确定运动曲线上各个曲线段的待定参数，以实现机器人连续点位运动规划。本技术方案提供的机器人连续点位运动规划方法采用三次样条函数进行连续点位运动规划时，能够指定更多的边界条件，从而实现了整个运动过程光滑、平稳、无冲击；同时还能够解决过冲回调问题。本发明还提供实现机器人连续点位运动规划方法的运动控制器。
【专利说明】一种机器人连续点位运动规划方法及其运动控制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及自动控制【技术领域】，尤其涉及一种机器人连续点位运动规划方法。
【背景技术】
[0002]目前，随着自动化技术的不断发展和应用的广泛普及，工业机器人已在搬运、焊接、包装、喷绘等领域替代了传统的人力。工业机器人的运动过程需要在满足各种工作条件下给出一个高效合理的规划。传统上工业机器人的运动规划分为PTP运动(point-to-point)和CP运动(continuous path),其中PTP控制最为简单,没有插补运算，各轴同时独立地走完自己的规划即可，其常用于快速定位和搬运作业。
[0003]基本的PTP运动从静止开始，到达目标点位置时速度减为零，相应加速度也为零。在实际作业中，为了避开可能的障碍，或者在不同的阶段采用不同的运动速度，往往需要用若干中间点来对整个PTP运动轨迹进行约束，即此时机器人需要连续进行多点的PTP运动规划。如果简单地逐段应用基本的PTP规划，那么在每一个中间点都有一个减速、停顿、力口速的过程，这对于搬运等实际作业时不合理的，不仅大大降低了工作效率，而且还增加了能耗。
[0004]一般的工业机器人产品都提供了连续点位运动规划，典型的做法是当机器人以给定的范围“接近”目标点时，立即以此当前位姿作为起点，下一点作为目标点，当前速度和加速度作为初始条件，进行下一段的规划。在该做法中，“接近”范围一般是以总行程的百分比表示，例如一旦完成该段行程的90%，即距离目标点不足10%的时候，立即规划并向下一个目标点进发。其优点是:计算简单，能够实现连续的点位运动。缺点是:1，示教或计算得到的中间点不会准确到达，只是“接近”该点；2、整个轨迹的速度可能仍然不连续，比如，当“接近”的范围过小时，其速度连续的效果不明显，仍然会有明显的减速过程，只是不会减速至零；而“接近”范围过大则距离中间目标点的误差较大时就会开始下一目标点的运动。
[0005]仅采用传统三次样条曲线进行连续点位运动规划，具有以下不足之处:
[0006]1.由于该方式下只能指定2个边界条件，通常选择指定速度，那么起点和终点加速度不为零，有一定的跳变，这会使得在实际应用中产生震动(可以参考图1中所示的采用传统三次样条曲线下的角位移曲线和角加速度曲线的示意图中，在t = O和t = 10时刻的曲线)；
[0007]2.不能保形，即会产生过冲回调问题。样条的光滑性会导致不期望的运动，例如某关节在特定时段内是不参与运动的，但是由于样条对曲线进行光滑会使其产生不必要的运动。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的一个技术问题是采用三次样条函数进行连续点位运动规划时，无法限制起点和终点加速度，产生跳变从而造成运动过程中产生震动；本发明所要解决的另一个技术问题是采用三次样条函数进行连续点位运动规划时运动过程中过冲回调问题。[0009]本发明公开了一种基于样条函数的机器人连续点位运动规划方法，能够指定更多的边界条件，从而实现了整个运动过程光滑、平稳、无冲击；同时还能够解决过冲回调问题。
[0010]本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，在运动指令所给定的数据点之间增加辅助点，在相邻的数据点之间插入η个中间辅助点，将一段运动曲线分为η+1段，这样就可以进一步地约束所规划的运动轨迹，从而满足更多的边界条件和其他条件。根据多项式的数学原理，每增加I个辅助点，可以增加一个约束条件与之对应。通过满足更多的边界条件和其他条件，使得整个运动过程光滑、平稳、无冲击。
[0011]本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，通过各个相邻数据点之间的运动位移确定机器人经过中间每一个数据点处的运动速度，从而实现运动轨迹保形性，即保证在每一段相邻数据点之间的运动轨迹是单向的，不存在过冲回调的现象。
[0012]本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，包括如下步骤:
[0013](I)确定至少两个数据点的运动信息，机器人依次经过数据点，机器人经过的第一个数据点为起点，机器人经过的最后一个数据点为终点；
[0014](2)在相邻两个数据点所形成的运动曲线上增加至少两个辅助点，以将运动曲线按时间等分为至少三个曲线段；
[0015](3)根据相邻两个数据点的运动信息以及辅助点的约束条件，确定边界条件；
[0016](4)基于三次样条函数与边界条件，确定运动曲线上各个曲线段的待定参数，以实现机器人连续点位运动规划。
[0017]本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，约束规划运动轨迹以满足更多的边界条件，精确地经过每一个给定的数据点(运动指令中给出的途径点，一般由示教或者离线计算获得)。
[0018]进一步地，步骤⑴中的运动信息包括:位置、速度及加速度，本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，保证机器人在每一数据点处达到给定的速度、加速度。
[0019]进一步地，步骤(I)确定至少两个数据点的运动信息包括以下步骤:
[0020](11)分别确定每一个数据点的位置；
[0021](12)确定机器人经过所有数据点处的加速度为零；
[0022](13)确定机器人经过起点处和终点处的运动速度为零；
[0023](14)确定机器人经过中间每一个数据点处的运动速度。
[0024]进一步地，机器人经过相邻的数据点形成机器人连续点位运动中的一段，步骤
(14)中确定机器人经过中间每一个数据点处的运动速度包括以下步骤:
[0025](141)依次读取所有数据点的位置；
[0026](142)确定各个相邻数据点之间的运动位移；
[0027](143)根据步骤(142)中确定的各个相邻数据点之间的运动位移，确定机器人经过中间每一个数据点处的运动速度。
[0028]本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，通过各个相邻数据点之间的运动位移确定机器人经过中间每一个数据点处的运动速度，从而实现运动轨迹保形性，即保证在每一段相邻数据点之间的运动轨迹是单向的，不存在过冲回调的现象。
[0029]进一步地,步骤(143)包括以下步骤:
[0030](1431)若当前相邻数据点之间的运动位移为机器人连续点位运动的最后一段，或者机器人连续点位运动的下一段运动位移为零，或者机器人连续点位运动的下一段运动位移的方向与当前相邻数据点之间的运动位移的方向相反，当前相邻数据点中所述机器人后经过的数据点处的速度降为零；
[0031](1432)若机器人连续点位运动的下一段运动位移的方向与当前相邻数据点之间的运动位移的方向相同，根据该方向上的实际剩余的运动距离与机器人的最大减速度来确定安全速度；若安全速度小于运动指令速度，则当前相邻数据点中机器人后经过的数据点处的速度为安全速度；否则，当前相邻数据点中机器人后经过的数据点处的速度为根据运动指令速度确定。
[0032]本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，通过各个相邻数据点之间的运动位移确定机器人经过中间每一个数据点处的运动速度，从而实现运动轨迹保形性，即保证在每一段相邻数据点之间的运动轨迹是单向的；通过机器人的最大减速度确定的安全速度，比较指令速度与安全速度，保证机器人运动的安全性。
[0033]进一步地，辅助点的约束条件包括:辅助点的位置连续、速度连续以及加速度连续。
[0034]本发明提供的机器人连续点位运动规划方法，能保证机器人在整个运动轨迹上实现速度连续、加速度连续，从而实现了整个运动过程光滑、平稳、无冲击。
[0035]进一步地，步骤(2)中在相邻两个数据点所形成的运动曲线上增加的辅助点数目为两个，以将这段运动曲线按时间等分为三个曲线段。
[0036]本发明提 供的机器人连续点位运动规划方法，能保证机器人在每一数据点处达到给定的速度、加速度，且速度、加速度连续，从而彻底消除了加速度跳变，满足所插入的中间点处位置、速度、加速度连续的要求，实现了位置、速度的平滑过渡。
[0037]进一步地，步骤(4)中采用三次样条函数表示三个曲线段的表达式为:
【权利要求】
1.一种机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)确定至少两个数据点的运动信息，机器人依次经过所述数据点，所述机器人经过的第一个数据点为起点，所述机器人经过的最后一个数据点为终点； (2)在相邻两个所述数据点所形成的运动曲线上增加至少两个辅助点，以将所述运动曲线按时间等分为至少三个曲线段； (3)根据相邻两个所述数据点的运动信息以及所述辅助点的约束条件，确定边界条件； (4)基于三次样条函数与所述边界条件，确定所述运动曲线上各个所述曲线段的待定参数，以实现机器人连续点位运动规划。
2.如权利要求1所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，步骤(1)中所述的运动信息包括:位置、速度以及加速度。
3.如权利要求2所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，步骤(1)确定至少两个数据点的运动信息包括以下步骤: (11)分别确定每一个所述数据点的位置； (12)确定所述机器人经过所有所述数据点处的加速度为零； (13)确定所述机器人经 过所述起点处和所述终点处的运动速度为零； (14)确定所述机器人经过中间每一个所述数据点处的运动速度。
4.如权利要求3所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，所述机器人经过相邻的所述数据点形成所述机器人连续点位运动中的一段，步骤(14)中确定所述机器人经过中间每一个所述数据点处的运动速度包括以下步骤: (141)依次读取所有所述数据点的位置； (142)确定各个相邻所述数据点之间的运动位移； (143)根据步骤(142)中确定的各个相邻所述数据点之间的运动位移，确定所述机器人经过中间每一个所述数据点处的运动速度。
5.如权利要求4所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，步骤(143)包括以下步骤: (1431)若当前相邻所述数据点之间的运动位移为所述机器人连续点位运动的最后一段，或者所述机器人连续点位运动的下一段运动位移为零，或者所述机器人连续点位运动的下一段运动位移的方向与当前相邻所述数据点之间的运动位移的方向相反，当前相邻所述数据点中所述机器人后经过的所述数据点处的速度降为零； (1432)若所述机器人连续点位运动的下一段运动位移的方向与当前相邻所述数据点之间的运动位移的方向相同，根据所述方向上的实际剩余的运动距离与所述机器人的最大减速度来确定安全速度；若所述安全速度小于运动指令速度，则当前相邻所述数据点中所述机器人后经过的所述数据点处的速度为安全速度；否则，当前相邻所述数据点中所述机器人后经过的所述数据点处的速度为根据运动指令速度确定。
6.如权利要求1所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，步骤(3)中所述辅助点的约束条件包括:所述辅助点的位置连续、速度连续以及加速度连续。
7.如权利要求6所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，步骤(2)中在相邻两个数据点所形成的运动曲线上增加的辅助点数目为两个，以将这段运动曲线按时间等分为三个曲线段。
8.如权利要求7所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，步骤(4)中采用三次样条函数表示三个曲线段的表达式为:
9.如权利要求8所述的机器人连续点位运动规划方法，其特征在于，步骤(3)中的边界条件为:
10.一种实现如权利要求1-9所述的机器人连续点位运动规划方法的运动控制器，其特征在于，将所述数据点与所述辅助点构成新的数据点序列，如果所述运动控制器自身支持三次样条函数插补，直接将所述新的数据点序列输入所述运动控制器；如果所述运动控制器不支持三次样条函数插补，根据所述新的数据点序列，按照标准三次样条算法进行插补运算得到插补点序列，将所述插补点序列输入到所述运动控制器，令所述运动控制器实现普通位置跟随控制。
【文档编号】G05D1/02GK103970139SQ201410195742
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】栾楠, 刘承立, 于兆行 申请人:上海交通大学