一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法及装置，其中方法包括：设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型，得到力矩关于时间的连续函数；定义机械臂运动轨迹总时间为目标函数，并以此建立以时间最优轨迹规划模型；结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数设置机械臂时间最优轨迹规划控制模型的约束条件；基于所述最优轨迹规划模型，通过输入约束，采用序列二次规划算法迭代求解机械臂时间最短的运动轨迹，得到满足约束的时间最优运动轨迹。与现有技术相比，本发明专利技术无需大量复杂的计算，具有较好的实时性、利用时间最少。

A time optimal trajectory planning control method and device for robotic arms

The invention relates to a time optimal trajectory planning control method and a device for a manipulator. The method includes setting initial conditions and calculating the joint angle position description of the manipulator with respect to time by cubic spline interpolation algorithm, and obtaining the torque based on the joint angle position description of the manipulator and the dynamic model. With respect to the continuous function of time, the total trajectory time of the manipulator is defined as the objective function, and the time optimal trajectory planning control model is established based on the time optimal trajectory planning model. In the trajectory planning model, the shortest time trajectory of the manipulator is solved iteratively by sequential quadratic programming algorithm with input constraints, and the time optimal trajectory satisfying the constraints is obtained. Compared with the prior art, the invention does not need a large number of complicated calculations, has better real-time performance and the utilization time is the least.

【技术实现步骤摘要】
一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法及装置
本专利技术涉及一种机器人控制技术，尤其是涉及一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法及装置。
技术介绍
随着科学技术的发展，工业机器人在工业中的作用越来越大，时间和能量最优轨迹规划是工业机器人中重要的研究方向。能量最优可以减小机械臂执行器及操作臂上的应力，同时可以节约能量和降低成本。工业机器人的时间最优轨迹规划指的是在各种约束条件都能满足的情况下，把时间的最短作为指标来优化机器人的运动轨迹的过程，即机器人的手用最短的时间完成在预定的轨迹上或两点之间的运动，进行时间最优轨迹规划的实际意义是能够提高机器人的工作效率。做好机器人的最优时间轨迹规划是实现机器人最优控制的重要前提。在实际应用中，时间最优是一个非常重要的性能指标。在工业当中，机械臂可以不分昼夜可靠准确的搬运重物，以时间最优轨迹进行研究，不仅能在有限性能充分发挥出关节电机的性能，还可以提高产品的生产效率，实现产品统一化，大大降低工人们的劳动强度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法及装置。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，包括：设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型，得到力矩关于时间的连续函数；定义机械臂运动轨迹总时间为目标函数，并以此建立以时间最优轨迹规划模型；结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数设置机械臂时间最优轨迹规划控制模型的约束条件；基于所述最优轨迹规划模型，通过输入约束，采用序列二次规划算法迭代求解机械臂时间最短的运动轨迹，得到满足约束的时间最优运动轨迹。所述设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述，包括：获取机械臂运动轨迹的关键参数变量；设计离散网格并将离散的点通过三次样条插值算法获取关节连续的角度加速函数；对角度加速函数进行几份分别得到角速度和角度位置的描述。所述力矩关于时间的连续函数为：其中：τ为关节力矩，ωθ分别为角加加速度，角速度，角加速度和角度；M(θ)是n*n的正定对称矩阵，是θ的函数，C(θ,ω)是n*1的离心力和科式力矢量；g(θ)是n*1的重力矢量。所述目标函数为其中：T为机器人沿最优轨迹运动的总体时间，n为关键点数量，ti为第i-1段所用的时间。所述约束条件为运动轨迹的起点、关键点和终点加速度。一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制装置，包括：加速度求解模块，用于设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；动力学模型求解器，与加速度求解模块连接，用于基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型，得到力矩关于时间的连续函数；目标函数求解器，与加速度求解模块和动力学模型求解器连接，用于定义机械臂运动轨迹总时间为目标函数，并以此建立以时间最优轨迹规划模型，并结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数设置机械臂时间最优轨迹规划控制模型的约束条件；时间最优求解器，与目标函数求解器连接，用于基于所述最优轨迹规划模型，通过输入约束，采用序列二次规划算法迭代求解机械臂时间最短的运动轨迹，得到满足约束的时间最优运动轨迹。所述运动轨迹求解模块包括：用于获取机械臂运动轨迹的关键参数变量的第一单元；用于设计离散网格并将离散的点通过三次样条插值算法获取关节连续的角度加速函数的第二单元，与第一单元连接；用于对角度加速函数进行几份分别得到角速度和角度位置的描述的第三单元，与第二单元连接。所述力矩关于时间的连续函数为：其中：τ为关节力矩，ω,θ分别为角加加速度，角速度，角加速度和角度；M(θ)是n*n的正定对称矩阵，是θ的函数，C(θ,ω)是n*1的离心力和科式力矢量；g(θ)是n*1的重力矢量。所述目标函数为其中：T为机器人沿最优轨迹运动的总体时间，n为关键点数量，ti为第i-1段所用的时间。所述约束条件为运动轨迹的起点、关键点和终点加速度。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术所涉及的能量最优轨迹规划算法简单，无需大量复杂的计算，具有较好的实时性、利用时间最少。2)本专利技术通过设计连散网格可以将离散的角加速度拟合成比较精确的连续函数，能够更加有效的研究机器人的运动状态。3)本专利技术充分发挥伺服关节电机的性能，为机器人关节体积设计越来越小，性能越来越好功能提供方法。4)本专利技术能够充分水平多关节机器人电机性能，具有较强的鲁棒性，提高机器人的工作效率降低人们的工作强度。附图说明图1为方法的流程示意图；图2为本专利技术的控制流程示意图；图3为线性插值分段方法获取角加速度示意图；图4(a)为大臂小臂同时摆动30度运动轨迹示意图；图4(b)为大臂小臂同时摆动30度运动状态示意图；图5(a)为大臂小臂同时摆动-30度运动轨迹示意图；图5(b)为大臂小臂同时摆动-30度运动状态示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术提出关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，以机器人运动时间总和作为目标函数的非线性约束规划问题，以达到在有限动力下充分提高机器人工作效率的作用。并设计离散网格对各个关节角加速度进行描述，进而再利用微分和动力学模型分别获取相关参数。具体的，如图1和图2所示，包括：设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；具体包括：获取机械臂运动轨迹的关键参数变量；设计离散网格并将离散的点通过三次样条插值算法获取关节连续的角度加速函数；对角度加速函数进行几份分别得到角速度和角度位置的描述。如图3所示，定义机械臂运动轨迹总时间为tn，假设该时间被平均分为n段t1,t2,...,tn，其中di＝ti+1-ti＝1/(n-1)，t1＝0，则取a1,a2,...,an为关节空间中的关键点的角度加速度，选取网格点上的n个变量aj(t＝t1),aj(t＝t2),...,aj(t＝tn)为第j关节变量，利用线性插值算法构造机械臂连续的角度加速度函数，通过积分分别得到角速度和角度位置的描述。基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型，得到力矩关于时间的连续函数；力矩关于时间的连续函数为：其中：τ为关节力矩，ω,θ分别为角加加速度，角速度，角加速度和角度；M(θ)是n*n的正定对称矩阵，是θ的函数，C(θ,ω)是n*1的离心力和科式力矢量；g(θ)是n*1的重力矢量。定义机械臂运动轨迹总时间为目标函数，并以此建立以时间最优轨迹规划模型，为充分发挥机械臂关节电机性能，提高机械臂的工作效率降低人们的劳动强度，将机器人沿最优轨迹运动所用的总时间作为优化目标，定义时间最优控制方法的目标函数为其中：T为机器人沿最优轨迹运动的总体时间，n为关键点数量，ti为第i-1段所用的时间。结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数设置机械臂时间最优轨迹规划控制模型的约束条件，其中，约束条件为运动轨迹的起点、关键点和终点加速度；基于最优轨迹规划模型，通过输入约束，采用序列二次规划算法迭代求解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，其特征在于，包括：设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型，得到力矩关于时间的连续函数；定义机械臂运动轨迹总时间为目标函数，并以此建立以时间最优轨迹规划模型；结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数设置机械臂时间最优轨迹规划控制模型的约束条件；基于所述最优轨迹规划模型，通过输入约束，采用序列二次规划算法迭代求解机械臂时间最短的运动轨迹，得到满足约束的时间最优运动轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，其特征在于，包括：设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述；基于机械臂关节角度位置描述结合动力学模型，得到力矩关于时间的连续函数；定义机械臂运动轨迹总时间为目标函数，并以此建立以时间最优轨迹规划模型；结合机械臂关节角度位置描述、力矩关于时间的连续函数设置机械臂时间最优轨迹规划控制模型的约束条件；基于所述最优轨迹规划模型，通过输入约束，采用序列二次规划算法迭代求解机械臂时间最短的运动轨迹，得到满足约束的时间最优运动轨迹。2.根据权利要求1所述的一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，其特征在于，所述设置初始条件并通过三次样条插值算法计算得到关于时间的机械臂关节角度位置描述，包括：获取机械臂运动轨迹的关键参数变量；设计离散网格并将离散的点通过三次样条插值算法获取关节连续的角度加速函数；对角度加速函数进行几份分别得到角速度和角度位置的描述。3.根据权利要求1所述的一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，其特征在于，所述力矩关于时间的连续函数为：其中：τ为关节力矩，ω,θ分别为角加加速度，角速度，角加速度和角度；M(θ)是n*n的正定对称矩阵，是θ的函数，C(θ,ω)是n*1的离心力和科式力矢量；g(θ)是n*1的重力矢量。4.根据权利要求1所述的一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，其特征在于，所述目标函数为其中：T为机器人沿最优轨迹运动的总体时间，n为关键点数量，ti为第i-1段所用的时间。5.根据权利要求1所述的一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制方法，其特征在于，所述约束条件为运动轨迹的起点、关键点和终点加速度。6.一种关于机械臂的时间最优轨迹规划控制装置，其特征在于，包括：加速度求解模块，用于设置初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：安康，方厚招，李一染，柳晖，方祖华，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31