一种工业机器人应用的过渡轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种工业机器人应用的过渡轨迹规划方法，可实现关节空间轨迹与笛卡尔空间轨迹之间的过渡，以及笛卡尔空间两条轨迹之间的过渡，不同运动轨迹之间的过渡轨迹统一在笛卡尔空间下规划，轨迹形状直观；采用两条抛物线融合成过渡曲线的算法，保证了轨迹、速度、加速度的平滑性，曲线形状可控；过渡轨迹由独立的6条曲线构成，对于无位置变化仅有姿态变化的轨迹也能实现过渡；从工程应用角度利用轨迹间的夹角和系统允许的弓高误差对过渡轨迹边界路径速度进行约束，并以类似的方式对边界姿态旋转速度进行约束，防止过大的衔接速度对机械系统产生较大的冲击。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工业机器人应用的过渡轨迹规划方法。
技术介绍
工业机器人已经被广泛应用于多个领域，在现代工业自动化、智能化的发展中发挥着越来越突出的作用。运动轨迹规划是机器人控制系统的一项基本任务，工业机器人的运动轨迹通常有笛卡尔空间的直线、圆弧，以及关节空间的点到点运动轨迹。实际应用场合中，一般是由多条轨迹顺序衔接完成一项加工任务，然而，相邻两条轨迹在衔接处存在拐角，而许多应用要求轨迹平滑没有拐角，即末端点从一条轨迹平滑过渡到下一条轨迹。两条轨迹之间的切换轨迹称为过渡轨迹。目前，对过渡段的轨迹规划有部分研究，常以圆弧、多项式曲线来构造过渡轨迹。其中，圆弧过渡可以保证轨迹平滑、速度匀速，有较广泛的应用，如：中国专利技术专利“一种焊接机器人过渡轨迹规划方法”(申请号为201110000264.3)，就是针对焊接机器人，过渡段焊缝采用圆弧来衔接直线段焊缝和圆弧段焊缝，但圆弧过渡在过渡段与轨迹段衔接处存在加速度的跃变，影响轨迹的平滑性，可能导致机械振动，且圆弧过渡无法实现相邻两段仅有姿态变化的轨迹过渡，对其他有此需求的应用场合就不适用了；多项式曲线过渡，包括样条函数、Hermite函数、五次多项式等，借助高阶连续性的特性可以保证加速度的平滑，减少振动，有利于高速运动，其中五次多项式过渡算法的研究较多，如：文献《机械手笛卡尔空间轨迹规划研究[J].》(林仕高,刘晓麟,欧元贤《机械设计与制造》,2013(3):49-52)>对位姿6个自由度分别用五次多项式构造过渡曲线，不仅能保证轨迹、速度、加速度的平滑，且能完成仅有姿态变化的轨迹间的过渡，但五次曲线的几何形状难以控制，而且缺乏工程约束条件。以上研究是基于笛卡尔空间两条轨迹之间的轨迹过渡，对关节空间轨迹到笛卡尔空间轨迹的过渡研究较少，而不同轨迹之间的不停顿运动对于提高工作效率是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种工业机器人应用的过渡轨迹规划方法，构造一条能保证轨迹、速度、加速度平滑的过渡曲线，实现关节空间轨迹与笛卡尔空间轨迹的过渡、笛卡尔空间两条轨迹的过渡，对于仅姿态变化的轨迹也能实现过渡，过渡轨迹形状能够受控。同时从工程应用角度，对过渡段的边界路径速度和姿态旋转速度进行约束。本专利技术的基本技术方案包括以下步骤：步骤1：将过渡轨迹规划需要的运动参数导入机器人过渡轨迹规划模块机器人末端点位姿由位置矢量(x,y,z)和RPY姿态矢量(α,β,γ)共同描述，组合成一个6自由度的复合矢量(x,y,z,α,β,γ)，过渡轨迹规划涉及的运动参数有：第一条轨迹起点位姿P0、终点位姿P1，第二条轨迹终点位姿P2，过渡参数百分比a，工程约束条件包括：系统最大速度Vmax、系统最大加速度Amax、系统允许的最大弓高误差Emax。步骤2：确定轨迹P0P1与轨迹P1P2之间过渡轨迹的起点和终点的位姿当轨迹P0P1是笛卡尔空间的直线轨迹时，过渡起点Ps到拐点P1的直线长度是轨迹P0P1直线长度的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P0P1是笛卡尔空间的圆弧轨迹时，过渡起点Ps到拐点P1的弧长是轨迹P0P1弧长的一半乘以过渡参数百分比a；设定过渡起点Ps到拐点P1的RPY姿态矢量变化对应轨迹P0P1的RPY姿态矢量变化的一半乘以过渡参数百分比a。当轨迹P0P1是关节空间轨迹时，设定过渡起点Ps到拐点P1的各关节位置变化对应轨迹P0P1各关节位置变化的一半乘以过渡参数百分比a，进一步根据正向运动学计算出过渡起点Ps的位姿。当轨迹P1P2是笛卡尔空间的直线轨迹时，拐点P1到过渡终点Pe的直线长度是轨迹P1P2直线长度的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P1P2是笛卡尔空间的圆弧轨迹时，拐点P1到过渡终点Pe的弧长是轨迹P1P2弧长的一半乘以过渡参数百分比a；设定拐点P1到过渡终点Pe的RPY姿态矢量变化对应轨迹P1P2的RPY姿态矢量变化的一半乘以过渡参数百分比a。当轨迹P1P2是关节空间轨迹时，设定拐点P1到过渡终点Pe的各关节位置变化对应轨迹P1P2各关节位置变化的一半乘以过渡参数百分比a，进一步根据正向运动学计算出过渡终点Pe的位姿。步骤3：确定过渡轨迹的边界速度由外部软件模块机器人的加减速轨迹规划算法，输入轨迹P0P1在过渡起点Ps处的速度，轨迹P1P2在过渡终点Pe处的速度，为简化计算，约定过渡轨迹起、终点的边界速度相等。笛卡尔空间轨迹对应末端点的路径速度Vpath、末端点的姿态旋转速度Vori，关节空间轨迹对应各关节的速度，此情况下，借助雅可比矩阵，可由各关节的速度直接计算出机器人末端点位姿6个自由度的速度。步骤4：利用弓高误差来约束过渡轨迹的边界速度从工程应用角度，当相邻轨迹切向速度矢量的夹角很大时，过大的轨迹衔接速度会对机械系统产生较大的冲击，因此有必要对轨迹衔接速度进行约束。本专利技术利用工程上的弓高误差参数来约束轨迹衔接速度，保证过渡轨迹边界速度Vpath和Vori不超过允许的轨迹衔接速度，具体方法如下：假定轨迹P0P1与轨迹P1P2之间有个假想的小圆弧，通过弓高误差来调整曲率半径r，然后利用r对轨迹衔接速度进行约束，从而达到约束过渡轨迹边界速度Vpath和Vori的目的。假想圆弧只是用来获取速度的约束条件，并不影响实际轨迹。由于关节空间轨迹不直观，用过渡点与拐点之间的直线连线替代原轨迹计算拐点处的夹角。轨迹P0P1与轨迹P1P2在拐点P1处的切向速度矢量的夹角为θ，对路径速度Vpath的约束公式如下：Vpath≤VmaxAmaxr---(1)]]>其中，Vmax为系统最大速度，Amax为系统最大加速度，Emax系统允许的弓高误差参数，r=Emaxcos(0.5θ)1-cos(0.5θ).]]>定义一个角度到毫米的量纲转换系数λ，将姿态旋转速度等效为一个长度上的速度矢量λVori，参照路径速度Vpath的约束方式，对λVori进行约束，即可达到对姿态旋转速度Vori的约束目的。轨迹P0P1与轨迹P1P2在拐点P1处的切向姿态旋转速度矢量的夹角为θori，对姿态旋转速度Vori的约束公式如下：Vori≤1λVmax1λAmaxrori---(2)]]>其中，rori=Emaxcos(0.5θori)1-cos(0.5θori);]]>步骤5：将笛卡尔空间轨迹在过渡轨迹边界点的速度Vpath和Vori分解到位姿6个自由度上若轨迹P0P1是笛卡尔空间轨迹，将过渡起点Ps本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业机器人应用的过渡轨迹规划方法，包括以下步骤：步骤1：将过渡轨迹规划需要的运动参数导入机器人过渡轨迹规划模块机器人末端点位姿由位置矢量(x,y,z)和RPY姿态矢量(α,β,γ)共同描述，组合成一个6自由度的复合矢量(x,y,z,α,β,γ)，过渡轨迹规划需要的运动参数有：第一条轨迹起点位姿P0、终点位姿P1，第二条轨迹终点位姿P2，过渡参数百分比a；工程约束条件包括：系统最大速度Vmax、系统最大加速度Amax、系统允许的最大弓高误差Emax；步骤2：确定轨迹P0P1与轨迹P1P2之间过渡轨迹的起点和终点的位姿当轨迹P0P1是笛卡尔空间的直线轨迹时，过渡起点Ps到拐点P1的直线长度是轨迹P0P1直线长度的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P0P1是笛卡尔空间的圆弧轨迹时，过渡起点Ps到拐点P1的弧长是轨迹P0P1弧长的一半乘以过渡参数百分比a；设定过渡起点Ps到拐点P1的RPY姿态矢量变化对应轨迹P0P1RPY姿态矢量变化的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P0P1是关节空间轨迹时，设定过渡起点Ps到拐点P1的各关节位置变化对应轨迹P0P1各关节位置变化的一半乘以过渡参数百分比a，进一步根据正向运动学计算出过渡起点Ps的位姿；当轨迹P1P2是笛卡尔空间的直线轨迹时，拐点P1到过渡终点Pe的直线长度是轨迹P1P2直线长度的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P1P2是笛卡尔空间的圆弧轨迹时，拐点P1到过渡终点Pe的弧长是轨迹P1P2弧长的一半乘以过渡参数百分比a；设定拐点P1到过渡终点Pe的RPY姿态矢量变化对应轨迹P1P2的RPY姿态矢量变化的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P1P2是关节空间轨迹时，设定拐点P1到过渡终点Pe的各关节位置变化对应轨迹P1P2各关节位置变化的一半乘以过渡参数百分比a，进一步根据正向运动学计算出过渡终点Pe的位姿；步骤3：确定过渡轨迹的边界速度由外部软件模块机器人的加减速轨迹规划算法，输入轨迹P0P1在过渡起点Ps处的速度，轨迹P1P2在过渡终点Pe处的速度，为简化计算，约定过渡轨迹起、终点的边界速度相等；笛卡尔空间轨迹对应末端点的路径速度Vpath、末端点的姿态旋转速度Vori，关节空间轨迹对应各关节的速度，此情况下，借助雅可比矩阵，由各关节的速度直接计算出机器人末端点位姿6个自由度的速度；步骤4：利用弓高误差来约束过渡轨迹的边界速度假定轨迹P0P1与轨迹P1P2之间有个假想的小圆弧，通过弓高误差来调整曲率半径r，然后利用r对轨迹衔接速度进行约束，保证过渡轨迹边界速度Vpath和Vori不超过允许的轨迹衔接速度；关节空间轨迹用过渡点与拐点之间的直线连线替代原轨迹计算拐点处的夹角；轨迹P0P1与轨迹P1P2在拐点P1处的切向速度矢量的夹角为θ，对路径速度Vpath的约束公式如下：Vpath≤VmaxAmaxr---(1)]]>其中，Vmax为系统最大速度，Amax为系统最大加速度，Emax系统允许的弓高误差参数，r=Emaxcos(0.5θ)1-cos(0.5θ);]]>定义一个角度到毫米的量纲转换系数λ，将姿态旋转速度等效为一个长度上的速度矢量λVori；轨迹P0P1与轨迹P1P2在拐点P1处的切向姿态旋转速度矢量的夹角为θori，对姿态旋转速度Vori的约束公式如下：Vori≤1λVmax1λAmaxrori---(2)]]>其中，rori=Emaxcos(0.5θori)1-cos(0.5θori);]]>步骤5：将笛卡尔空间轨迹在过渡轨迹边界点的速度Vpath和Vori分解到位姿6个自由度上若轨迹P0P1是笛卡尔空间轨迹，将过渡起点Ps处的速度Vpath和Vori分解到位姿6个自由度上；若轨迹P1P2是笛卡尔空间轨迹，将过渡终点Pe处的速度Vpath和Vori分解到位姿6个自由度上；步骤6：计算过渡轨迹起点Ps和终点Pe的位姿6个自由度上的加速度假定过渡起点Ps处的瞬间是匀速，过渡终点Pe处的瞬间是匀速，通过速度差分计算得到过渡轨迹起点Ps和终点Pe的位姿6个自由度上加速度；步骤7：计算过渡轨迹运行时间T假定过渡轨迹的执行时间与从过渡起点Ps匀速运动到拐点P1再匀速运动到过渡终点Pe的直线段时间相等，依此设定，分别计算位置过渡的运行时间T1和姿态过渡的运行时间T2，T选取较长的时间：T=T1,T1≥T2T2,T1<T2---(3)]]>若其中存在位置或姿态不过渡，则将对应的运行时间置为零；步骤8：对机器人过渡轨迹末端点位姿的6个自由度分别构造过渡曲线方程P(σ)，采用两条抛物线运动的叠加融合为过渡轨迹的运动，矩阵方程如下：P(σ)＝P1(σ)+η(σ)[P2(σ)‑P1(...

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人应用的过渡轨迹规划方法，包括以下步骤：
步骤1：将过渡轨迹规划需要的运动参数导入机器人过渡轨迹规划模块
机器人末端点位姿由位置矢量(x,y,z)和RPY姿态矢量(α,β,γ)共同描述，组合成一个
6自由度的复合矢量(x,y,z,α,β,γ)，过渡轨迹规划需要的运动参数有：第一条轨迹起点位
姿P0、终点位姿P1，第二条轨迹终点位姿P2，过渡参数百分比a；工程约束条件包括：系
统最大速度Vmax、系统最大加速度Amax、系统允许的最大弓高误差Emax；
步骤2：确定轨迹P0P1与轨迹P1P2之间过渡轨迹的起点和终点的位姿
当轨迹P0P1是笛卡尔空间的直线轨迹时，过渡起点Ps到拐点P1的直线长度是轨迹P0P1直线长度的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P0P1是笛卡尔空间的圆弧轨迹时，过渡起
点Ps到拐点P1的弧长是轨迹P0P1弧长的一半乘以过渡参数百分比a；设定过渡起点Ps到拐
点P1的RPY姿态矢量变化对应轨迹P0P1RPY姿态矢量变化的一半乘以过渡参数百分比a；
当轨迹P0P1是关节空间轨迹时，设定过渡起点Ps到拐点P1的各关节位置变化对应轨迹
P0P1各关节位置变化的一半乘以过渡参数百分比a，进一步根据正向运动学计算出过渡起
点Ps的位姿；
当轨迹P1P2是笛卡尔空间的直线轨迹时，拐点P1到过渡终点Pe的直线长度是轨迹P1P2直线长度的一半乘以过渡参数百分比a；当轨迹P1P2是笛卡尔空间的圆弧轨迹时，拐点P1到
过渡终点Pe的弧长是轨迹P1P2弧长的一半乘以过渡参数百分比a；设定拐点P1到过渡终点
Pe的RPY姿态矢量变化对应轨迹P1P2的RPY姿态矢量变化的一半乘以过渡参数百分比a；
当轨迹P1P2是关节空间轨迹时，设定拐点P1到过渡终点Pe的各关节位置变化对应轨迹
P1P2各关节位置变化的一半乘以过渡参数百分比a，进一步根据正向运动学计算出过渡终
点Pe的位姿；
步骤3：确定过渡轨迹的边界速度
由外部软件模块机器人的加减速轨迹规划算法，输入轨迹P0P1在过渡起点Ps处的速
度，轨迹P1P2在过渡终点Pe处的速度，为简化计算，约定过渡轨迹起、终点的边界速度相
等；
笛卡尔空间轨迹对应末端点的路径速度Vpath、末端点的姿态旋转速度Vori，关节空间轨
迹对应各关节的速度，此情况下，借助雅可比矩阵，由各关节的速度直接计算出机器人末
端点位姿6个自由度的速度；
步骤4：利用弓高误差来约束过渡轨迹的边界速度
假定轨迹P0P1与轨迹P1P2之间有个假想的小圆弧，通过弓高误差来调整曲率半径r，

\t然后利用r对轨迹衔接速度进行约束，保证过渡轨迹边界速度Vpath和Vori不超过允许的轨迹
衔接速度；关节空间轨迹用过渡点与拐点之间的直线连线替代...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏正仙，冯日月，臧秀娟，王继虎，王明昕，
申请(专利权)人：南京埃斯顿机器人工程有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32