机器人的运动前瞻方法技术

本发明专利技术公开了一种机器人的运动前瞻方法，将文字或图案转化成笛卡尔空间坐标系中的多个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，利用机器人的末端执行机构在未来三段的运动信息，对机器人的各关节分别进行解耦，然后结合各关节的耦合作用的特点，进行综合解耦，通过对当前段进行运行时间规划、四元素规划(初始速度、终点速度、最大速度及运动位移)及轨迹生成，即可完成一次运动规划，所得结果可使所述执行末端机构提速30％，且平稳性与顺滑性均得到提升，同时在之后的各段运动规划中采用迭代寻优的方法，保证系统逐渐趋于最佳的运动状态，并可提前预知急拐弯的情况，提前做好降速的准备，防止出现速度突变。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人的运动前瞻方法，尤其是指一种根据机器人末端执行机构的未来三段的运动信息决定机器人在当前段的运动轨迹的方法。
技术介绍
机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，在机器人的运动控制中，很多情况下需要根据给定的机器人末端执行器的位置和姿态，求解机器人各关节的关节变量，进行机器人离线编程和轨迹规划。此时，如果按照常规插补方法控制，只在相邻两线段间进行插补前加减速处理，当遇到轨迹急拐弯等情况时，将产生很大的加(减)速度，而且产生的冲击将使机器人结构无法承受。现有的一种有效方法就是前瞻控制，它是一种提前发现轨迹突变，并对机器人末端执行器的速度进行有效控制的方法。目前的速度前瞻控制技术有Hermite样条插值方法、B样条插值方法和PVT控制方法等，这些速度控制方式都是位置伺服的速度插补原理，在实际插补运动中都得频繁地进行加速和减速变化，不能使速度平滑稳定地变化。因此，有必要设计一种机器人的运动前瞻方法，以克服上述问题。
技术实现思路
本专利技术的创作目的在于提供一种机器人的运动前瞻方法，根据机器人的末端执行机构在未来三段的运动信息，决定机器人的末端执行机构在当前段的运动轨迹，使机器人的末端执行机构实现快速、连续、平稳且顺滑的运动。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种机器人的运动前瞻方法，其特征在于，包括以下步骤：(1).提供一机器人与一工作台，建立所述工作台与所述机器人相关联的笛卡尔空间坐标系，所述机器人具有一末端执行机构；(2).提供一控制终端，确定所述末端执行机构在笛卡尔空间坐标系中的起画点；(3).使用者输入文字或绘制图案，所述控制终端将输入的文字或绘制的图案转化成一平面坐标系中的m个有序路径点；(4).连接所述控制终端与所述机器人，所述控制终端读取m个有序路径点，并将m个有序路径点通过迭代的方式以一第一长度进行采样得到n个有序路径点，并将采样后的第一个有序路径点作为起画点将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中；(5).按照采样后的n个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，根据五个连续的有序路径点，所述控制终端对所述机器人的各关节分别进行解耦，且各关节按同时到达的原则，得出所述末端执行机构在当前段的运动时间t；(6).依据所述末端执行机构在当前段的运动时间t，结合可靠收敛的数值解法，从全局出发进行迭代寻优，并辅之奇异状态分析，防止所述机器人的关节出现过速问题，然后综合解耦，使所述末端执行机构在各有序路径点平稳、顺滑地通过，得到各关节在当前段的初始速度V0、终点速度V1、最大速度Vmax、运动位移θ的最优解；(7).按照最优解的初始速度V0、终点速度V1、最大速度Vmax、运动位移θ关节运动速度曲线，从而生成特定的具有优良运动性能的运动轨迹，使所述末端执行机构在所述工作台按照当前段的运动轨迹作动。进一步，在步骤(4)中以第一个有序路径点作为采样起点，将距离第一个有序路径点小于所述第一长度的有序路径点舍弃，取距离第一个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为采样后的第二个有序路径点，以上述第二个有序路径点为采样起点，同样将距离第二个有序路径点小于所述第一长度的有序路径点舍弃，取距离第二个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为采样后的第三个有序路径点，依次这样采用迭代的方式针对m个有序路径点进行采样得到n个有序路径点，其中在采样的过程中，当下一个有序路径点距离上一个采样后的有序路径点的距离大于一第二长度时，其中所述第二长度大于所述第一长度，所述末端执行机构在该下一个有序路径点处进行抬笔作动，且移动到该下一个有序路径点的下一个继续进行采样；当后面仅有的有序路径点距离作为采样起点的上一个有序路径点均小于所述第一长度，或者后面再没有有序路径点时，那么可以判断所述末端执行机构在作为采样起点的有序路径点处其作动终止。进一步，步骤(5)为所述末端执行机构在当前段的运动时间t规划，在基于所述末端执行机构准确到达五个连续有序路径点的前提下，通过D-H模型法获得所述末端执行机构相对于笛卡尔空间坐标系的位姿矩阵，对所述机器人的各关节分别进行解耦，得到各关节的角度值，依据已确定的各关节最大速度与最大加速度的边界条件，以及当前段各关节运动时间关于当前段与未来三段各段运动位移的目标函数，各关节采用最速原则，保证各关节平稳顺滑，求得所述机器人各关节在当前段的运动时间，综合所述机器人各关节的运动状态，且各关节采用同时到达的原则，从而找到所述末端执行机构在当前段优化的运动时间t。进一步，在步骤(5)中，当可供连续选取的有序路径点少于五个时，根据有序路径点的数目与数值五之间的差值，最末的有序路径点则在原有的基础上再被重复计算该差值的次数，所述末端执行机构在该最末的有序路径点的作动终止。进一步，步骤(3)中，在使用者输入文字或绘制图案时，选择输入所述末端执行机构生成对应该文字或图案的运动轨迹的比例大小。进一步，所述控制终端包括一工业PC机和具有触屏输入功能的一手持盒，所述手持盒基于嵌入式系统笔画生成与相关传输协议制定，且通过网际网络连接所述工业PC机。进一步，步骤(2)中，在所述手持盒的系统中安装一书写工具包，使用者打开所述书写工具的画板用以手写文字或绘制图案。进一步，所述手持盒安装一内存卡，用以存储使用者书写的文字或绘制的图案转换成平面坐标系中的m个有序路径点。进一步，所述控制终端仅包括一工业PC机，使用者通过所述工业PC机的键盘输入文字，所述工业PC机通过字模分析与笔画生成使输入的文字转换成平面坐标系中的m个有序路径点。进一步，在步骤(1)中，所述末端执行机构安装一裱花工具，用于在生日蛋糕上写字或绘制图案。与现有技术相比，本专利技术利用所述末端执行机构在未来三段的运动信息，结合所述机器人的各关节的耦合作用的特点，即可完成一次运动规划，所得结果，可使所述执行末端机构提速30％，且平稳性与顺滑性均得到提升，同时在之后的各段运动规划中采用迭代寻优的方法，保证系统逐渐趋于最佳的运动状态，并可提前预知所述末端执行机构急拐弯的情况，提前做好降速的准备，防止出现急拐弯，速度突变。【附图说明】图1为本专利技术机器人写字系统示意图；图2为本专利技术机器人写字系统的命令书写方式流程图；图3为本专利技术机器人写字系统的触屏书写方式流程图；图4为机器人的运动前瞻方法流程图。具体实施方式的附图标号说明：机器人1底座1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人的运动前瞻方法，其特征在于，包括以下步骤：(1).提供一机器人与一工作台，建立所述工作台与所述机器人相关联的笛卡尔空间坐标系，所述机器人具有一末端执行机构；(2).提供一控制终端，确定所述末端执行机构在笛卡尔空间坐标系中的起画点；(3).使用者输入文字或绘制图案，所述控制终端将输入的文字或绘制的图案转化成一平面坐标系中的m个有序路径点；(4).连接所述控制终端与所述机器人，所述控制终端读取m个有序路径点，并将m个有序路径点通过迭代的方式以一第一长度进行采样得到n个有序路径点，并将采样后的第一个有序路径点作为起画点将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中；(5).按照采样后的n个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来依序三段，根据五个连续的有序路径点，所述控制终端对所述机器人的各关节分别进行解耦，且各关节按同时到达的原则，得出所述末端执行机构在当前段的运动时间t；(6).依据所述末端执行机构在当前段的运动时间t，结合可靠收敛的数值解法，从全局出发进行迭代寻优，并辅之奇异状态分析，防止所述机器人的关节出现过速问题，然后综合解耦，使所述末端执行机构在各有序路径点平稳、顺滑地通过，得到各关节在当前段的初始速度V0、终点速度V1、最大速度Vmax、运动位移θ的最优解；(7).按照最优解的初始速度V0、终点速度V1、最大速度Vmax、运动位移θ关节运动速度曲线，从而生成特定的具有优良运动性能的运动轨迹，使所述末端执行机构在所述工作台按照当前段的运动轨迹作动。...

【技术特征摘要】
1.一种机器人的运动前瞻方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).提供一机器人与一工作台，建立所述工作台与所述机器人相关联的笛卡尔空
间坐标系，所述机器人具有一末端执行机构；
(2).提供一控制终端，确定所述末端执行机构在笛卡尔空间坐标系中的起画点；
(3).使用者输入文字或绘制图案，所述控制终端将输入的文字或绘制的图案转化
成一平面坐标系中的m个有序路径点；
(4).连接所述控制终端与所述机器人，所述控制终端读取m个有序路径点，并将
m个有序路径点通过迭代的方式以一第一长度进行采样得到n个有序路径点，并将采
样后的第一个有序路径点作为起画点将n个有序路径点换算到笛卡尔空间坐标系中；
(5).按照采样后的n个有序路径点，以五个连续的有序路径点构成当前段与未来
依序三段，根据五个连续的有序路径点，所述控制终端对所述机器人的各关节分别进行
解耦，且各关节按同时到达的原则，得出所述末端执行机构在当前段的运动时间t；
(6).依据所述末端执行机构在当前段的运动时间t，结合可靠收敛的数值解法，从
全局出发进行迭代寻优，并辅之奇异状态分析，防止所述机器人的关节出现过速问题，
然后综合解耦，使所述末端执行机构在各有序路径点平稳、顺滑地通过，得到各关节在
当前段的初始速度V0、终点速度V1、最大速度Vmax、运动位移θ的最优解；
(7).按照最优解的初始速度V0、终点速度V1、最大速度Vmax、运动位移θ关节运动
速度曲线，从而生成特定的具有优良运动性能的运动轨迹，使所述末端执行机构在所述
工作台按照当前段的运动轨迹作动。
2.如权利要求1所述的机器人的运动前瞻方法，其特征在于：在步骤(4)中以第一个有
序路径点作为采样起点，将距离第一个有序路径点小于所述第一长度的有序路径点舍
弃，取距离第一个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为采样后的第二个有序路
径点，以上述第二个有序路径点为采样起点，同样将距离第二个有序路径点小于所述第
一长度的有序路径点舍弃，取距离第二个有序路径点为所述第一长度的有序路径点作为
采样后的第三个有序路径点，依次这样采用迭代的方式针对m个有序路径点进行采样

\t得到n个有序路径点，其中在采样的过程中，当下一个有序路径点距离上一个采样后的
有序路径点的距离大于一第二长度时，其中所述第二长度大于所述第一长度，所述末端
执行机构在该下一个有序路径点处进行抬笔作动，且移动到该下一个有序路径点的下一
个继续进行采样；当后面仅有的有序路径点距离作为采样起点的上一个有...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨，曹学东，姜仁银，张志青，
申请(专利权)人：深圳市得意自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44