一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法技术

一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法，包括：步骤1、四轴工业机器人轨迹预处理：将轨迹分为需平顺轨迹段和不需平顺轨迹段，并对四轴姿态进行预处理，保证两个轨迹点之间走劣弧轨迹；步骤2、四轴轨迹B样条平顺：遍历步骤1生成的需平顺轨迹段，对每一条轨迹段按照轨迹点误差阈值、位置点弦高误差阈值和连续性要求采用几何迭代法生成B样条过渡式平顺轨迹。本发明专利技术B样条过渡式平顺轨迹由线性轨迹和B样条轨迹组成，整条轨迹具有位置和姿态同步的G1或G2连续性，满足轨迹点误差和轨迹点之间的位置弦高误差，且采用样条轨迹能够实现四轴工业机器人复杂应用的轨迹平顺，进而提高四轴工业机器人的作业效率和质量。

A B-Spline Transition Smooth Trajectory Generation Method for Four-Axis Industrial Robot with Controllable Errors

An error-controllable B-spline transitional smoothing trajectory generation method for four-axis industrial robots includes: step 1 and trajectory preprocessing for four-axis industrial robots: dividing trajectory into trajectory segments requiring smoothing and trajectory segments requiring no smoothing, and preprocessing the four-axis posture to ensure that the trajectory between two trajectory points is inferior; step 2 and four-axis trajectory B-spline smoothing: the need for traversal step 1 generation In smoothing trajectory section, geometric iteration method is used to generate B-spline transitional smoothing trajectory for each trajectory section according to the requirements of trajectory point error threshold, position point chord height error threshold and continuity. The B-spline transitional smoothing trajectory of the invention consists of linear trajectory and B-spline trajectory. The whole trajectory has G1 or G2 continuity of position and attitude synchronization, which satisfies the position chord height error between the trajectory point error and the trajectory point, and can realize the trajectory smoothing of the complex application of the four-axis industrial robot by using the spline trajectory, thereby improving the operation efficiency and quality of the four-axis industrial robot.

【技术实现步骤摘要】
一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法
本专利技术属于工业机器人轨迹优化领域，具体涉及一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法。
技术介绍
四轴工业机器人，又称平面关节(SCARA)机器人，具有三个旋转轴和一个平动轴，广泛应用于搬运、装配和涂胶等作业中。四轴工业机器人的运动指令大多与六轴工业机器人一致，包括线性指令、圆弧指令和轴关节运动指令。同时每条指令可以指定精确到点或是平滑过渡。精确到点指令能够满足轨迹精度要求，但到达轨迹点必须降速为零，导致作业效率降低；平滑可以在轨迹点处不降速为零的情况下平滑过渡，但导致了轨迹点精度的降低。机器人复杂应用的轨迹大都采用线性指令或圆弧指令描述，个别机器人厂家为了在提高连续性的同时提高精度，增加了自由曲线或样条运动指令。如安川机器人的MOVS指令，采用自由曲线插补，轨迹为通过三个点的抛物线。KUKA机器人采用样条组的概念建立连续的直线、圆弧或样条段。与常规运动相比，更易于保持编程设定的速度；但两个轨迹点之间的轨迹误差无法由用户控制，可能出现轨迹偏离原始轨迹过大的情况出现，从而导致作业质量的降低。已受理专利申请文献201710097192.6提出了一种可同时控制位置点误差和弦高误差的工业机器人平顺运动轨迹生成方法，其中的过渡曲线提供了三次B样条和四次B样条两种曲线，但双轨平顺在直线段和样条段的连接点处姿态不一定连续。已受理专利申请文献201811468150.X提出了一种误差可控的三维轨迹点轨迹平顺方法，该方法只适用于三维位置点的连续、保形和满足精度的轨迹平顺。现有四轴工业机器人的轨迹(位置和姿态，简称位姿)表达中，不具有同时满足高连续性(位姿同步连续)和高精度(满足轨迹点误差和轨迹点之间的位置弦高误差)的平顺轨迹表达。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有四轴工业机器人的轨迹表达存在的上述不足，提供一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法，提供了G1连续样条和G2连续样条两种平顺方法，平顺样条的生成计算简单；能够达到整条轨迹位姿同步的G1连续和G2连续；能够满足四轴工业机器人的轨迹点(位置和姿态)的误差，以及轨迹点之间的位置点弦高误差；且能够在机器人控制器内部不改变机器人现有轨迹点定义的基础上增加样条指令。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法，包括如下步骤：步骤1、四轴工业机器人轨迹预处理：将线性轨迹按照位置距离和夹角分成需平顺轨迹段和不需平顺轨迹段；并对姿态进行预处理；步骤2、需平顺轨迹段平顺：遍历步骤1生成的需平顺轨迹段，对每一段需平顺轨迹段按照轨迹点误差阈值、位置点弦高误差阈值和连续性要求采用几何迭代法生成G1或G2连续的B样条过渡式平顺轨迹。按上述方案，所述步骤1具体包括如下步骤：步骤1.1、根据分段阈值计算分段索引集合，输入连续两个轨迹点以上的轨迹段，输出分段索引；设输入的四轴工业机器人的轨迹点集合为轨迹点个数N≥2，其中每个轨迹点Pi(xi,yi,zi,θi)为位置(xi,yi,zi)和姿态即绕Z轴旋转的角度θi组成的四维向量，位置分段条件以位置距离阈值δd和位置夹角阈值δa作为指标；遍历轨迹点索引i＝1,2,…N-1，分别判断索引i是否满足位置分段条件：首先计算轨迹段Pi-1Pi和PiPi+1两段的位置距离di-1和di，若di-1或di小于位置距离阈值δd，则认为索引i满足位置分段条件；否则，计算轨迹段Pi-1Pi和PiPi+1的位置夹角ai，若sinai小于位置夹角阈值δa，则认为索引i满足位置分段条件；否则认为索引i不满足位置分段条件；将满足位置分段条件的索引i加入分段索引集合，默认将首尾索引0,N加入分段索引集合的首尾；步骤1.2、根据分段索引集合分段，将一整段轨迹段根据分段索引集合分成若干轨迹段，其中轨迹段中轨迹点个数大于2的轨迹段记为需平顺轨迹段，用于下个步骤的轨迹平顺；否则记为不需平顺轨迹段，按照线性轨迹输出到平顺后的轨迹中；步骤1.3、姿态预处理，根据两个轨迹之间劣弧优先的原则遍历轨迹点索引i＝1,2,…N，若相邻两个轨迹点Pi-1,Pi的姿态的夹角距离oi-1大于180°，oi-1＝|θi-θi-1|，则修改Pi的第四维姿态角：若θi>0，则修改为Pi(xi,yi,zi,θi-360°)；否则修改为Pi(xi,yi,zi,θi+360°)。按上述方案，所述步骤2对每一段需平顺轨迹段生成B样条过渡式平顺轨迹的方法具体如下：步骤2.1、初始迭代参数设定，设当前线性轨迹段的四维轨迹点为记为原始轨迹点，设平顺后的轨迹需满足的位置距离误差阈值为εmax，位置弦高误差阈值记为δmax，姿态点夹角误差阈值omax，迭代次数阈值kmax，设置当前迭代次数为k＝0，迭代轨迹点记为步骤2.2、遍历索引i＝1,2,…N-1，根据位置点弦高误差约束、G1或G2连续性约束和保形约束分别生成迭代轨迹点处的过渡B样条轨迹首先分别计算和的位置距离di-1和di，以及位置点夹角βi，并计算di-1和di的较小值dmin＝min(di-1,di)；然后根据位置点弦高误差约束和保形约束计算前后位置点的过渡比例ri-1和ri，首先计算前后位置点的过渡长度，对于G1过渡B样条，过渡长度为：对于G2过渡B样条，过渡长度为然后计算两个过渡比例：其中0<α<1为保形参数，代表两段过渡B样条之间的线性轨迹段占整个轨迹段的距离比例；c>1为决定控制点的比例系数；对于G1连续样条，当时，过渡样条的前三维组成了平面PH样条；对于G2连续样条，取c＝1.5；最后根据G1或G2连续条件和两个过渡比例计算四维样条的控制点，满足G1连续条件的过渡样条具有四个控制点；满足G2连续条件的过渡样条具有五个控制点，各个控制点的计算方法如下：G1样条：G2样条：步骤2.3、遍历索引i＝1,2,…N-1，计算第i条过渡B样条与原始轨迹点Qi的轨迹点误差，首先根据步骤2.2中的控制点构造四维B样条采用三次均匀节点的B样条曲线：其中t∈[0,1]；对于G1样条，M＝3；对于G2样条，M＝4。Bj,3(t)为B样条基函数，根据节点向量计算得到；然后计算四维B样条轨迹的参数中点作为轨迹点误差最大点：最后计算过渡B样条与原始轨迹点Qi的轨迹点误差，轨迹点误差包括位置距离误差和姿态点夹角误差，根据的三维位置距离和姿态夹角距离得到；步骤2.4、计算所有过渡B样条与原始轨迹点的最大位置距离误差和最大姿态点夹角误差若小于位置距离误差阈值εmax，且小于姿态点夹角误差阈值omax，或者当前迭代次数k大于迭代次数阈值kmax，终止迭代并输出B样条平顺轨迹转步骤2.6；否则，转步骤2.5；步骤2.5、遍历i＝1,…N-1,根据原始轨迹点Qi和轨迹点误差最大点计算偏移向量并更新迭代轨迹点：令k＝k+1，转步骤2.2；步骤2.6、对步骤2.4输出的平顺轨迹进行整理并输出，平顺后的轨迹由N条四维线性轨迹和(N-1)条四维B样条平顺轨迹组合而成，按顺序依次是：线性轨迹平顺B样条轨迹线性轨迹平顺B样条轨迹平顺B样条轨迹线性轨迹通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术具有的优势本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、四轴工业机器人轨迹预处理：将线性轨迹按照位置距离和夹角分成需平顺轨迹段和不需平顺轨迹段；并对姿态进行预处理；步骤2、需平顺轨迹段平顺：遍历步骤1生成的需平顺轨迹段，对每一段需平顺轨迹段按照轨迹点误差阈值、位置点弦高误差阈值和连续性要求采用几何迭代法生成G1或G2连续的B样条过渡式平顺轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、四轴工业机器人轨迹预处理：将线性轨迹按照位置距离和夹角分成需平顺轨迹段和不需平顺轨迹段；并对姿态进行预处理；步骤2、需平顺轨迹段平顺：遍历步骤1生成的需平顺轨迹段，对每一段需平顺轨迹段按照轨迹点误差阈值、位置点弦高误差阈值和连续性要求采用几何迭代法生成G1或G2连续的B样条过渡式平顺轨迹。2.根据权利要求1所述的误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下步骤：步骤1.1、根据分段阈值计算分段索引集合，输入连续两个轨迹点以上的轨迹段，输出分段索引；设输入的四轴工业机器人的轨迹点集合为轨迹点个数N≥2，其中每个轨迹点Pi(xi，yi，zi，θi)为位置(xi，yi，zi)和姿态即绕Z轴旋转的角度θi组成的四维向量，位置分段条件以位置距离阈值δd和位置夹角阈值δa作为指标；遍历轨迹点索引i＝1，2，...N-1，分别判断索引i是否满足位置分段条件：首先计算轨迹段Pi-1Pi和PiPi+1两段的位置距离di-1和di，若di-1或di小于位置距离阈值δd，则认为索引i满足位置分段条件；否则，计算轨迹段Pi-1Pi和PiPi+1的位置夹角ai，若sinai小于位置夹角阈值δa，则认为索引i满足位置分段条件；否则认为索引i不满足位置分段条件；将满足位置分段条件的索引i加入分段索引集合，默认将首尾索引0，N加入分段索引集合的首尾；步骤1.2、根据分段索引集合分段，将一整段轨迹段根据分段索引集合分成若干轨迹段，其中轨迹段中轨迹点个数大于2的轨迹段记为需平顺轨迹段，用于下个步骤的轨迹平顺；否则记为不需平顺轨迹段，按照线性轨迹输出到平顺后的轨迹中；步骤1.3、姿态预处理，根据两个轨迹之间劣弧优先的原则遍历轨迹点索引i＝1，2，...N，若相邻两个轨迹点Pi-1，Pi的姿态的夹角距离oi-1大于180°，Oi-1＝|θi-θi-1|，则修改Pi的第四维姿态角：若θi＞0，则修改为Pi(xi，yi，zi，θi-360°)；否则修改为Pi(xi，yi，zi，θi+360°)。3.根据权利要求1所述的误差可控的四轴工业机器人B样条过渡式平顺轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤2对每一段需平顺轨迹段生成B样条过渡式平顺轨迹的方法具体如下：步骤2.1、初始迭代参数设定，设当前线性轨迹段的四维轨迹点为记为原始轨迹点，设平顺后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何姗姗，颜昌亚，李振瀚，邓炎超，黄昆涛，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42