串联机器人轨迹规划方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种串联机器人轨迹规划方法，包括：得到机器人运动任务空间中机器人的姿态控制节点Ti的序列，和与之对应的时间节点ti的序列；计算各个姿态控制节点的角序列

Trajectory Planning Method for Series Robots

The embodiment of the present invention discloses a trajectory planning method for a serial robot, which includes: obtaining the sequence of Ti of the robot's attitude control node in the robot's motion task space, and the corresponding sequence of Ti of the time node; calculating the angular sequence of each attitude control node;

【技术实现步骤摘要】
串联机器人轨迹规划方法
本专利技术涉及机器人行走轨迹规划
，尤其是一种串联机器人轨迹规划方法。
技术介绍
机器人是一个复杂动态体系，能够用在不同领域。其中，六自由度机器人在工业生产中被广泛使用，机器人的串联机构是机器人的重要组成部分，机器人串联结构典型组成为底座、腰部、大臂(上臂)、小臂(前臂)、腕部和手部。由于串联机器人采用的是开环结构，即从底座到末端执行器间各关节依次串接，只有一条运动链，这使得它具有以下优点：(1)负载能力强，能够实现负重较大的工作；(2)运动空间大，操作广度好，能够对大规模目标进行操作；(3)控制对象明确，各关节之间关联性好，控制简便；(4)灵活性强，延展性高；(5)技术成熟，成本低，便于维护，但是机器人串联机构的轨迹规划使机器人运行的效率还比较低，如果路径规划不科学可能导致机器人经过奇异位姿，或发生碰撞损坏机器人；如果机器人的速度规划不合理会使机构震动，运动不平稳，也可能损坏电机。因此，现有技术需要改进。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的一个技术问题是：提供一种串联机器人轨迹规划方法，以解决现有技术存在的问题，所述串联机器人轨迹规划方法包括：得到机器人运动任务空间中机器人的姿态控制节点Ti的序列，和与之对应的时间节点ti的序列；计算各个姿态控制节点的角序列在机器人运动任务空间中构造连续的曲线插值姿态控制节点角的序列，所述角序列与时间节点ti的序列对应，j为节点序列号，j＝1,2,3,……n；规划在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的轨迹；根据机器人运动的轨迹计算在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的速度及加速度。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述根据机器人运动的轨迹计算在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的速度及加速度包括：机器人控制单元接收到机器人移动的命令，设定机器人的运行时间和运行速度，计算机器人运动的加速度，将加速度指令赋给机器人运动控制电机；机器人运动控制电机按照机器人控制单元的指令进行加速度运行；设定时间参数t1，t2，t3，在0-t1时间内机器人加速度上升，在t1-t2时间内机器人做匀加速运动，在t2-t3时间内加速度减少。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述设定时间参数t1，t2，t3，在0-t1时间内机器人加速度上升，在t1-t2时间内机器人做匀加速运动，在t2-t3时间内加速度减少的速度、加速度计算模型包括梯形模型和正弦模型。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述梯形模型的数学表达式包括：机器人运动加速度的数学表达式：对公式(1)进行时间积分得到机器人运动速度的函数，设置机器人运动的初始速度和结束速度为零，则机器人运动速度的数学表达式为：对公式(2)进行时间积分得到机器人位移的函数，设置机器人的初始时位移为零，则机器人位移的数学表达式为：令T1＝t1，T2＝t2-t1，T3＝t3-t2，则公式(3)中在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述正弦模型的数学表达式包括：机器人运动加速度的数学表达式：为保证最大加速度和最大速度的约束，以及加速度边界条件，式中将式(4)进行时间积分得到机器人运动的速度函数，设置机器人运动的初始速度和末速度为零，则机器人运动的速度函数表达式为：对公式(5)进行时间积分，得到机器人运动的位移函数表达式：式中：S02＝S01+vmaxT2，T2＝t2-t1。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述规划在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的轨迹包括：对机器人运动的控制节点进行规划；对相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的直线运动轨迹规划；对相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的运动姿态规划。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述对机器人运动的控制节点进行规划采用采用三次样条规划。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述三次样条规划包括：令Pi(ti,si(ti))和Pi+1(ti+1,si(ti+1))为机器人运动曲线上的相邻的两个控制节点，在这两个控制节点之间的第i个三次多项式为：si(t)＝ai(t-ti)3+bi(t-ti)2+ci(t-ti)+di；(ti≤t≤ti+1)(7)si(t)的一阶导数为：si′(t)＝3ai(t-ti)2+2bi(t-ti)+ci(8)si(t)的二阶导数为：令pi＝si(ti)，pi'＝si'(ti)，pi”＝si”(ti)，Δti＝ti+1-ti，Δpi＝pi+1-pi，得：三次样条曲线在各节点处连续且一阶导数、二阶导数均连续，则：si(ti+1)＝si+1(ti+1)(11)si′(ti+1)＝si+1′(ti+1)(12)si″(ti+1)＝si+1″(ti+1)(13)由式(11)和(13)得：联立公式(8)、(12)、(13)、(14)得：联立公式(9)和(13)，得：3ai(Δti)2+2bi(Δti)+ci＝ci+1(16)将式(11)、(15)、(16)代入公式(7)得Δti+1pi+2″+2(Δti+Δti+1)pi+1″+Δtipi″＝6(Δpi+1/Δti+1-Δpi/Δti)(17)式中i＝1,2,3...n-2，因此将式(17)写成矩阵的模式：Ap”＝6Bp式中：p＝[p1,p2,...,pn]T，p”＝[p1”,p2”,...,pn”]T；A和B为(n-2)×n阶矩阵：其中：αi＝Δti,αij＝αi+αj,βi＝1/Δti,βij＝βi+βj；设置两个约束条件，p1″＝pn″＝0；将p”,p均变为n-2维，矩阵A和B也相应的变为(n-2)×(n-2)矩阵：从而求出各控制节点的加速度矢量：p″＝6A-1Bp；将节点加速度矢量p”和节点位移矢量p带入式(11)(14)(15)求出所有的三次多项式系数，已知系数利用式(8)即求出三次样条轨迹。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述对相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的直线运动轨迹规划包括：机器人控制单元接收到机器人从某一控制节点移动到下一个控制节点的命令；机器人控制单元将机器人的直线运动分解为X、Y、Z三个轴的运动；应用加速度控制方法，根据在进行运动规划时规定的加速度amax和速度vmax，得到位移时间函数S(t)；将位移时间函数S(t)在X、Y、Z三个轴上投影，控制X、Y、Z三个轴的运动，实现机器人末端沿直线运动。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述机器人控制单元将机器人的直线运动分解为X、Y、Z三个轴的运动包括：设某一控制节点P的坐标为[x1,y1,z1]，与其相邻的下一个控制节点Q的坐标为[x2,y2,z2]，则有：式中：X(t)、Y(t)、Z(t)分别为机器人在X、Y、Z轴方向上的位移。在基于本专利技术上述串联机器人轨迹规划方法的另一个实施例中，所述对相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的运动姿态规划包括：设置机器人在一个控制节点的初始运动姿态为R1，在其下一个相邻的控制节点的末端运动姿态为R2，获得旋转矩阵R，所述初始运动姿态为R1为机器人机械臂开始的位置，末端运动姿态为R2为机器人机械臂完成任务后用户需要的姿态；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，包括：得到机器人运动任务空间中机器人的姿态控制节点Ti的序列，和与之对应的时间节点ti的序列；计算各个姿态控制节点的角序列

【技术特征摘要】
1.一种串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，包括：得到机器人运动任务空间中机器人的姿态控制节点Ti的序列，和与之对应的时间节点ti的序列；计算各个姿态控制节点的角序列在机器人运动任务空间中构造连续的曲线插值姿态控制节点角的序列，所述角序列与时间节点ti的序列对应，j为节点序列号，j＝1,2,3,……n；规划在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的轨迹；根据机器人运动的轨迹计算在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的速度及加速度。2.根据权利要求1所述的串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述根据机器人运动的轨迹计算在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的速度及加速度包括：机器人控制单元接收到机器人移动的命令，设定机器人的运行时间和运行速度，计算机器人运动的加速度，将加速度指令赋给机器人运动控制电机；机器人运动控制电机按照机器人控制单元的指令进行加速度运行；设定时间参数t1，t2，t3，在0-t1时间内机器人加速度上升，在t1-t2时间内机器人做匀加速运动，在t2-t3时间内加速度减少。3.根据权利要求2所述的串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述设定时间参数t1，t2，t3，在0-t1时间内机器人加速度上升，在t1-t2时间内机器人做匀加速运动，在t2-t3时间内加速度减少的速度、加速度计算模型包括梯形模型和正弦模型。4.根据权利要求3所述的串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述梯形模型的数学表达式包括：机器人运动加速度的数学表达式：对公式(1)进行时间积分得到机器人运动速度的函数，设置机器人运动的初始速度和结束速度为零，则机器人运动速度的数学表达式为：对公式(2)进行时间积分得到机器人位移的函数，设置机器人的初始时位移为零，则机器人位移的数学表达式为：令T1＝t1，T2＝t2-t1，T3＝t3-t2，则公式(3)中5.根据权利要求3所述的串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述正弦模型的数学表达式包括：机器人运动加速度的数学表达式：为保证最大加速度和最大速度的约束，以及加速度边界条件，式中将式(4)进行时间积分得到机器人运动的速度函数，设置机器人运动的初始速度和末速度为零，则机器人运动的速度函数表达式为：对公式(5)进行时间积分，得到机器人运动的位移函数表达式：式中：S02＝S01+vmaxT2，T2＝t2-t1。6.根据权利要求1所述的串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述规划在相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的轨迹包括：对机器人运动的控制节点进行规划；对相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的直线运动轨迹规划；对相邻两个姿态控制节点之间机器人运动的运动姿态规划。7.根据权利要求6所述的串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述对机器人运动的控制节点进行规划采用采用三次样条规划。8.根据权利要求7所述的串联机器人轨迹规划方法，其特征在于，所述三次样条规划包括：令Pi(ti,si(ti))和Pi+1(ti+1,si(ti+1))为机器人运动曲线上的相邻的两个控制节点，在这两个控制节点之间的第i个三次多项式为：si(t)＝ai(t-ti)3+bi(t-ti)2+ci(t-ti)+di；(ti≤t≤ti+1)(7)si(t)的一阶导数为：si′(t)＝3ai(t-ti)2+2bi(t-ti)+ci(8)si(t)的二阶导数为：令pi＝si(ti),pi'＝si'(ti),pi”＝si”(ti),Δti＝ti+1-ti,Δpi＝pi+1-pi，得：三次样条曲线在各节点处连续且一阶导数、二阶导数均连续，则：si(ti+1)＝si+1(ti+1)(11)si′(ti+1)＝si+1′(ti+1)(12)si″(ti+1)＝si+1″(ti+1)(13)由...

【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，
申请(专利权)人：广州卫富科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44