机器人运动轨迹规划方法及相关装置制造方法及图纸

一种机器人运动轨迹规划方法，根据第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段确定出三次Bezier曲线的特征点；并根据确定出的特征点构建三次Bezier曲线，构建出的三次Bezier曲线作为第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段之间的平滑过渡轨迹段。这种方法能够实现CP运动的平滑连接，同时，速度不必降为零。还涉及采用这种方法的运动轨迹规划装置和机器人。

Robot trajectory planning and related devices

A robot trajectory planning method is used to determine the characteristic points of the three Bezier curves according to the first CP motion trajectory and the second CP motion trajectory, and the three Bezier curves are constructed according to the identified characteristic points, and the three Bezier curves are constructed as the smoothness between the first CP movement track section and the second CP motion trajectory section. The crossing section. This method can achieve smooth connection of CP motion and speed does not have to be reduced to zero. It also involves the trajectory planning device and robot using this method.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机器人运动轨迹规划方法及相关装置
本专利技术涉及运动控制领域，更具体地说，涉及机器人运动轨迹规划技术。
技术介绍
在对机器人运动控制中，被控部件(例如操作臂)的轨迹运动方式可分为CP运动(连续运行，包括直线运动和圆弧运动)和PTP运动(点到点运动)。在对机器人进行运动轨迹规划时，可能需要多段CP运动连续进行。以两段CP运动连续进行为例，请参见图1a，CP运动轨迹段1(也可称为轨迹段1)和CP运动轨迹段2(也可称为轨迹段2)可分别为直线段，此外，还可圆弧段与圆弧段(图1b)、圆弧段与直线段(图1c和图1d)连续进行。在单段CP运动的规划中，其初速度和末速度都为0，如果在多段CP连续运动的过程中令每段CP运动的初始速度和末速度都降为0，会大大降低工作效率，并且频繁的加减速也会对电机和减速器的寿命有影响。因此，运动轨迹规则的趋势是不令多段CP连续运动中的各段CP运动的速度降为零。这就面临另一问题：仍请参见图1a，若连续的直线段不在同一直线上，就会有尖角。尖角的顶点为O(O点是两轨迹段的交点)。同理，请参见图1b，若连续的两圆弧段切线不重合，也会有尖角。同理，若直线段与的圆弧段的切线不重合(请参见图1c和图1d)，也会有尖角。速度不为0通过尖角的话，会产生振动。为此，可在连续的两CP运动轨迹段之间设计平滑过渡轨迹段。例如，请参见图2，可采用矢量叠加法得到平滑过渡轨迹段。这种方式通过空间向量加法，令图2中轨迹段1从拐出点A到交点O的插补点，与轨迹段2从拐入点B到交点O的插补点重合。叠加后的插补点会组成空间的一段弧形(也即图2中点A与点B之间的弧形)，使轨迹平滑。也即，最终规划出的运行轨迹是，由C点运行至A点，之后拐出轨迹段1，进入点A和点B之间的平滑过渡轨迹段，再由点B拐入轨迹段2，最后到达D。当然，对于超过两段CP运动的连续运动，可分别对两两连续的CP运动轨迹段进行如此设计。矢量叠加法虽然对前后相连的CP运动进行了平滑，但在实际应用中，如图1a-1d所示，有直线段与直线段转接、直线段与圆弧段转接、圆弧段与圆弧段转接。矢量叠加法虽可用圆弧替代尖角，但其仅在直线段与直线段转接的场景下肯定适用，在直线段与圆弧段转接、圆弧段与圆弧段的转接中可能无法找到与两条轨迹都相切的圆弧。这是因为空间中相交的直线段与直线段是肯定共面的，但是直线段与圆弧段、圆弧段与圆弧段都不一定共面，在不共面的情况下就无法找出公切的圆弧转接。因此，现在需要机器人运动轨迹规划技术解决方案，以令无论连续的运动轨迹段是否共面均能进行平滑转接，并在拐点处(拐入点和拐出点)速度连续(也即速度不必降为0)。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提供机器人运动轨迹规划方法及相关装置，以令连续的CP运动平滑转接，同时，速度不必降为0。本申请专利技术人在研究过程中发现：Bezier曲线由线段和节点组成的数学曲线。其整体形状并不局限于圆弧，可实现非共面的轨迹平滑，从而可应用在机器人运动轨迹规划方面。可令Bezier曲线作为连续的运动轨迹段间的平滑过渡轨迹段，Bezier曲线的起始点与一运动轨迹段(可称为lc轨迹段)的拐出点重合，Bezier曲线的终止点与另一运动轨迹段(可称为ln轨迹段)的拐入点重合。专利技术人发现，欲实现在拐点处(拐出点和拐入点)速度连续，则Bezier曲线在其起始点需与lc轨迹相切，同时在其终止点需与ln轨迹相切。n次(n次)Bezier曲线公式为：其中bi,n(t)称为Bernstein基函数，t＝0对应Beizer曲线的起始点，t＝1对应Beizer曲线的终止点。P0-Pn这n个特征点或控制点在平面或在三维空间定义了n次Bezier曲线，其组成的多边形称为特征多边形或控制多边形。其中，P0为起始点，Pn为终止点，P1-Pn-1为中间点。例如请参见图3，P0、P1、P2、P3四个点定义了三次Bezier曲线，三次Bezier曲线起始于P0走向P1，并从P2方向到P3。需要说明的是，一般三次Bezier曲线不经过P1、P2，这两个点只提供方向。根据Bezier基函数的导函数性质可求取n次Bezier曲线始末点的切矢量为则：当t＝0时，B′(0)＝n(P1-P0)，，B′(0)即为n次Bezier曲线在起始点的切矢量；当t＝1时，B′(1)＝n(Pn-Pn-1)，B′(1)即为n次Bezier曲线在终止点的切矢量。观察上述切矢量可知，n次Bezier曲线在起始点和终止点处的切线方向(即切矢量)和特征多边型的第一条边及最后一条边走向一致。以图3所示三次Bezier曲线为例，，B′(0)＝3(P1-P0)，，B′(1)＝3(P3-P2)，而图3的第一条边是P1P0，最后一条边是P3P2。为令n次Bezier曲线在始末点的切矢方向分别与lc轨迹段和ln轨迹段切矢方向相同，需要最少四个特征点或控制点，所以可选用三次Bezier曲线作为平滑过渡轨迹段。基于上述研究发现，本专利技术实施例提供如下技术方案：一方面，本申请的实施例提供机器人运动轨迹规划方法，至少用于基于三次Bezier曲线实现连续的两CP运动轨迹段之间的平滑转接，所述连续的两CP运动轨迹段包括第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段；该方法包括：根据所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段确定三次Bezier曲线的特征点；所述特征点包括P0、P1、P2、P3，其中，P0为起始点、P3为终止点，P1、P2为中间点；根据所述特征点构建三次Bezier曲线，作为所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段之间的平滑过渡轨迹段，所述平滑过渡轨迹段的起始点与所述第一CP运动轨迹段的拐出点相重合，所述平滑过渡轨迹段的终止点与所述第二CP运动轨迹段的拐入点相重合；其中，所述平滑过渡轨迹段在所述起始点上的切矢量方向、与所述第一CP运动轨迹段在在所述拐出点上的切矢量方向相同；所述平滑过渡轨迹段在所述终止点上的切矢量方向和所述第二CP运动轨迹段在所述拐入点上的切矢量方向的方向相同。在本实施例中，采用三次Bezier曲线作为第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段之间的平滑过渡轨迹段，由于平滑过渡轨迹段在始末点的切矢方向分别与所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段的切矢方向相同，因此，该平滑过渡轨迹段在其起始点与第一CP运动轨迹段相切，同时在其终止点与第二CP运动轨迹段相切，从而可实现在拐点处(拐出点和拐入点)速度连续，也即可实现连续的CP运动平滑转接，同时，速度不必降为0。在一个可能的设计中，在所述确定三次Bezier曲线的特征点之前，还包括：规划连续的CP运动轨迹段。在一个可能的设计中，当所述第一CP运动轨迹段为直线段时，选择交点O和起始点P0之间的线段上的一点作为所述中间点P1；而当所述第一CP运动轨迹段为圆弧段时，可选择所述起始点P0切线上的一点作为所述中间点P1，并且，所述中间点P1位于所述交点O和起始点P0之间，交点O为所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段的交点。这样，可实现平滑过渡轨迹段在所述起始点上的切矢量方向、与所述第一CP运动轨迹段在在所述拐出点上的切矢量方向相同。在一个可能的设计中，当所述第二CP运动轨迹段为直线段时，可选择所述交点O和终止点P3之间的线段上的一点作为所述中间点P2；而当所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，至少用于基于三次Bezier曲线实现连续的两CP运动轨迹段之间的平滑转接，所述连续的两CP运动轨迹段包括第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段；所述方法包括：根据所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段确定三次Bezier曲线的特征点；根据所述特征点构建三次Bezier曲线，作为所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段之间的平滑过渡轨迹段，所述平滑过渡轨迹段的起始点与所述第一CP运动轨迹段的拐出点相重合，所述平滑过渡轨迹段的终止点与所述第二CP运动轨迹段的拐入点相重合；其中，所述平滑过渡轨迹段在所述起始点上的切矢量方向、与所述第一CP运动轨迹段在所述拐出点上的切矢量方向相同；所述平滑过渡轨迹段在所述终止点上的切矢量方向和所述第二CP运动轨迹段在所述拐入点上的切矢量方向的方向相同。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，至少用于基于三次Bezier曲线实现连续的两CP运动轨迹段之间的平滑转接，所述连续的两CP运动轨迹段包括第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段；所述方法包括：根据所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段确定三次Bezier曲线的特征点；根据所述特征点构建三次Bezier曲线，作为所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段之间的平滑过渡轨迹段，所述平滑过渡轨迹段的起始点与所述第一CP运动轨迹段的拐出点相重合，所述平滑过渡轨迹段的终止点与所述第二CP运动轨迹段的拐入点相重合；其中，所述平滑过渡轨迹段在所述起始点上的切矢量方向、与所述第一CP运动轨迹段在所述拐出点上的切矢量方向相同；所述平滑过渡轨迹段在所述终止点上的切矢量方向和所述第二CP运动轨迹段在所述拐入点上的切矢量方向的方向相同。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述确定三次Bezier曲线的特征点之前，还包括：规划连续的CP运动轨迹段。3.如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述特征点包括起始点P0、终止点P3、第一中间点P1和第二中间点P2；所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段的交点表示为O点；所述根据所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段确定三次Bezier曲线的特征点还包括：当所述第一CP运动轨迹段为直线段时，选择所述交点O和起始点P0之间的线段上的一点作为所述中间点P1；当所述第一CP运动轨迹段为圆弧段时，选择所述起始点P0切线上的一点作为所述中间点P1，并且，所述中间点P1位于所述交点O和起始点P0之间。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段确定三次Bezier曲线的特征点还包括：当所述第二CP运动轨迹段为直线段时，选择所述交点O和终止点P3之间的线段上的一点作为所述中间点P2；当所述第二CP运动轨迹段为圆弧段时，选择所述终止点P3切线上的一点作为所述中间点P2，并且，所述中间点P2位于所述交点O和终止点P3之间。5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述中间点P1到所述交点O的距离，等于所述中间点P1到所述起始点P0的距离；所述中间点P2到所述交点O的距离，等于所述中间点P2到所述终止点P3的距离。6.一种机器人运动轨迹规划装置，其特征在于，至少用于基于三次Bezier曲线实现连续的两CP运动轨迹段之间的平滑转接，所述连续的两CP运动轨迹段包括第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段；所述装置包括：特征点确定单元，用于根据所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段确定三次Bezier曲线的特征点；平滑过渡轨迹构建单元，用于根据所述特征点构建三次Bezier曲线，作为所述第一CP运动轨迹段和第二CP运动轨迹段之间的平滑过渡轨迹段，所述平滑过渡轨迹段的起始点与所述第一CP运动轨迹段的拐出点相重合，所述平滑过渡轨迹段的终止点与所述第二CP运动轨迹段的拐入点相重合；其中，所述平滑过渡轨迹段在所述起始点上的切矢量方向、与所述第一CP运动轨迹段在所述拐出点上的切矢量方向相同；所述平滑过渡轨迹段在所述终止点上的切矢量方向和所述第二CP运动轨迹段在所述拐入点上的切矢量方向的方向相同。7.如权利要求6所述的装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志明，
申请(专利权)人：深圳配天智能技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44