一种串联机构轨迹规划方法技术

本发明专利技术提供一种串联机构轨迹规划的方法，所述方法通过分段高阶多项式插值法计算串联机构的各机构关节角、角速度和角加速度的变化规律，并对超出加速度约束值的轨迹段的连杆进行加速度约束，获得多项式最高阶次数，得到修正后的轨迹规划结果，在工作过程中，串联机构各关节的力矩会急剧增大，对结构损害非常大，在进行多项式轨迹规划时，对该段轨迹内，通过对角加速度约束在规定范围内，进而反求出该段轨迹多项式的最高阶的次数，完成该段轨迹多项式二次规划，保证串联机构各关节能够平稳的进行工作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于串联机构自动化作业规划
，具体涉及一种串联机构轨迹规划 的方法。
技术介绍
随着工业水平的发展，机器人自动化作业日益广泛，如各类工业机器人、工程机械 机器人、生活中应用的机器人，为了精确完成机器人的工作任务，其中轨迹规划是一项非常 重要的工作，它能够保证各串联机构能够以合理的位置点，速度，加速度来完成它的工作任 务。在串联机构轨迹规划的方法中，有许多国内外学者提出了许多种方法，主要有不同条件 下的分段多项式轨迹规划方法如3-5-3、4-3-4、3-3-3 · · · 5等多种多项式插值法，5次和 7次多项式插值法，3次和5次NURBS曲线插值法，外国学者Lin和Luh等人提出了规划机 器人连续运动轨迹的三次样条函数方法，以及过渡段抛物线插值法，以上方法均可以实现 串联机构自动化作业过程中的轨迹规划任务，但是许多规划方法存在一定的缺点。 在自动化作业串联机构的规划中，其中避免各机构有较大的振动冲击、较大的力 变化，防止结构损坏，是非常重要的，为了解决这个问题，在关节空间采用分段高阶多项式 插值法进行轨迹规划研究，得到各关节位置、速度、加速度变化规律，通过加速度最大值约 束来确定多项式最高项的次数，得到合理的轨迹多项式，很好的避免了串联机构在自动化 作业中由于振动、冲击强度过大而导致结构损坏。
技术实现思路
为了解决上述串联机构在自动化作业中由于振动、冲击强度过大而导致结构损坏 的问题，本专利技术提供一种串联机构轨迹规划的方法，所述方法通过分段高阶多项式插值法 计算串联机构的各机构关节角、角速度和角加速度的变化规律，并对超出加速度约束值的 轨迹段的连杆进行加速度约束，获得多项式最高阶次数，得到修正后的轨迹规划结果； 进一步地，所述方法包括： S1 :规划串联机构轨迹曲线； S2 :在关节空间进行轨迹规划； S3 :轨迹规划仿真； S4 :通过加速度约束确定多项式最高项； S5 :仿真验证确定轨迹规划多项式； 进一步地，所述Sl具体为：在串联机构工作过程中，结合机构结构参数，设定其工 作任务，规定工作路径中关键点，通过空间样条插值来得到平滑的路径曲线； 进一步地，所述S2具体为：在关节空间进行轨迹规划时，采用分段高阶多项式进 行关节空间轨迹规划，从而得到各关节动态变化规律，得到各关节角、角速度、角加速度变 化规律，所述分段高阶多项式为3-3-5-3-3五段式： 引入无量纲时间变量t e ，定义变量为 各段轨迹末端的实际时间；τ i i为第i段轨迹起始时间；τ 1第i段轨迹末端的实际时间； h为第i段轨迹所需要的时间；机器人关节j (j = 1，2, 3)的轨迹由多项式序列h i (t) (i = 1，2, 3, 4, 5)组成； 令串联机构任意一关节五段轨迹多项式表达式如下： 对轨迹多项式中实际时间变量τ求一阶导数得到各关节速度： 对轨迹多项式中实际时间变量τ求二阶导数得到各关节加速度：) 初始点和终止点满足位置、速度、加速度条件有：[ 由中间点满足位置要求及位置、速度、加速度连续可得： 结合（5)式和已知条件可以求得多项式的各个系数； 进一步地，所述S3由SI中设定的参数得出串联机构各工作关键点数据，通过运动 学逆解，从笛卡尔空间转化到关节空间得到各工作关键点处各机构关节角度值，从而得到 工作中间连续点值，结合开始设定的初始速度、加速度值以及S2中求得的各关节轨迹多项 式以及角速度、角加速度的表达式，通过仿真软件MATLAB进行编程，得到各机构的关节角、 角速度、角加速度变化曲线； 进一步地，所述S4由S3轨迹规划仿真中得出了各关节角加速度的变化曲线图，在 进行多项式轨迹规划时，对该段轨迹内，通过对角加速度约束在规定范围内，进而反求出该 段轨迹多项式的最高阶的次数，所述中间段轨迹多项式为： 根据已知连续性条件求得该段多项式的系数为： 设该段关节角加速度约束为a_，则有：I a3] I彡a_ (j = 1，2, 3)即： I b (b_l) a35xb 2+12a34x2+6a33x I < amax (10) 在MATLAB中通过给定范围内的b值取一定步长进行试算，求解 得出满足1彡a_的多项式最高阶次数b值； 进一步地，所述S5具体为将S4得到的满足I < a_的多项式最高阶次数b值代 入该段多项式，进行各关节轨迹规划仿真验证，从而分别求出每个关节中间段最高阶次数 修正后的合理的轨迹多项式。 本专利技术的有益效果是： 1)各关节轨迹规划仿真验证，分别求出每个关节中间段最高阶次数修正后的合理 的轨迹多项式，不仅保证了路径偏差小，加速度，角加速度连续，而且将工作过程中机构关 节角角加速度限定在规定约束范围内； 2)减少了在工作过程振动冲击强度过大，造成精度不准确，以及串联机构的结构 损坏； 3)在中间5次多项式段，加速度阶跃比较大，在工作过程中，串联机构各关节的力 矩会急剧增大，对结构损害非常大，在进行多项式轨迹规划时，对该段轨迹内，通过对角加 速度约束在规定范围内，进而反求出该段轨迹多项式的最高阶的次数，完成该段轨迹多项 式二次规划，保证串联机构各关节能够平稳的进行工作。【附图说明】 图1为串联机构工作装置结构简图； 图2为串联机构D-H坐标系下结构简图； 图3为挖掘机器人工作装置简图； 图4为挖掘机器人D-H坐标系下工作装置简图； 图5为挖掘机器人完成一次挖掘任务空间轨迹曲线； 图6为XZ平面内自主挖掘过程轨迹曲线； 图7为动臂关节角、角速度、角加速度变化规律曲线图； 图8为斗杆关节角、角速度、角加速度变化规律曲线图； 图9为铲斗关节角、角速度、角加速度变化规律曲线图； 图10为修正后动臂关节角、角速度、角加速度变化规律曲线图； 图11为修正后斗杆关节角、角速度、角加速度变化规律曲线图； 图12为修正后铲斗关节角、角速度、角加速度变化规律曲线图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。相反，本专利技术涵盖任何由权利要求定义的在本专利技术的精髓和范围上做 的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本专利技术有更好的了解，在下文对本 专利技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细 节部分的描述也可以完全理解本专利技术。 下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为对本专利技术的限定。 下面为本专利技术的举出最佳实施例： 如图1所示，图1为本专利技术轨迹规划方法建立串联机构工作装置结构图，如图2所 示，图2为D-H坐标系下串联机构结构图，本专利技术方法通过分段高阶多项式插值法计算串 联机构的各机构关节角、角速度和角加速度的变化规律，并对超出加速度约束值的轨迹段 的连杆进行加速度约束，获得多项式最高阶次数，得到修正后的轨迹规划结果，所述方法包 括： 4) S1 :规划串联机构轨迹曲线； 5)在串联机构工作过程中，结合机构结构参数，设定其工作任务，规定工作路径中 关键点，通过空间样条插值来得到平滑的路径曲线 6) S2 :在关节空间进行轨迹规划； 7)在关节空间进行轨迹规划时，采用分段高阶多项式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串联机构轨迹规划方法，其特征在于，所述方法通过分段高阶多项式插值法计算串联机构的各机构关节角、角速度和角加速度的变化规律，并对超出加速度约束值的轨迹段的连杆进行加速度约束，获得多项式最高阶次数，得到修正后的轨迹规划结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李海虹，林贞国，杜娟，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西;14