基于B样条的机器人运动轨迹规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，涉及工业机器人技术领域，用于解决现有技术中不能保证机器人的平稳运动的技术问题。本发明专利技术的基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，所获得的运动轨迹具有连续的运动速度、加速度和jerk(加加速度)，那么该运动轨迹的加加速度就不可能存在突变的现象，从而能够保证机器人的平稳运动，进而提高喷涂效果并提高机器人的服役寿命。

Robot trajectory planning method based on B-spline

【技术实现步骤摘要】
基于B样条的机器人运动轨迹规划方法
本专利技术涉及工业机器人
，特别地涉及一种基于B样条的机器人运动轨迹规划方法。
技术介绍
在喷涂应用行业中，虽然越来越多的工业产品采用B样条曲线进行设计规划其运动轨迹，但仍存在运动轨迹与实际路线的拟合精度低、轨迹动态性能差的缺点，因此不能满足精密作业的需求的情况；此外，其运动轨迹的加加速度可能会突变，因此不能保证机器人的平稳运动，进而会影响喷涂效果及机器人的服役寿命。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，用于解决现有技术中的不能保证机器人的平稳运动的技术问题。本专利技术提供一种基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，包括以下步骤：S1：获得实际路径曲线，对所述实际路径曲线进行数据采样获得关键路径点；S2：对所述关键路径点进行B样条插值计算，获得第一路径曲线；S3：根据所述第一路径曲线，采用S形加速度十五段轨迹规划方法计算获得机器人的运动轨迹曲线；其中，所述运动轨迹曲线具有连续的速度、加速度曲线和加加速度。在一个实施方式中，所述机器人的运动轨迹曲线为位移曲线q(t)；所述位移曲线q(t)的一阶导函数为速度曲线；所述位移曲线q(t)的二阶导函数为加速度曲线；所述位移曲线q(t)的三阶导函数q(3)(t)为加加速度曲线jerk(t)；所述位移曲线q(t)的四阶导函数q(4)(t)为加加速度的时间变化率曲线snap(t)；所述S形加速度十五段轨迹规划方法包括以下步骤：根据所述加加速度的时间变化率曲线snap(t)获得所述加加速度曲线jerk(t)，所述加加速度的时间变化率曲线以竖直直线方式升降或为常量；根据所述加加速度曲线jerk(t)获得加速度曲线；根据所述加速度曲线获得所述速度曲线；根据所述速度曲线获得位移曲线q(t)。在一个实施方式中，所述加加速度曲线包括十五个连续的时间段t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8t9,t10,t11,t12,t13,t14和t15；所述速度曲线、所述加速度曲线jerk(t)以及所述加加速度的时间变化率曲线snap(t)均关于十五个连续的时间段的中间时间点对称。在一个实施方式中，所述加加速度的时间变化率曲线snap(t)满足下列定义式(2)：其中，q(4)(t)为所述位移函数的四阶导函数；t为时间；smax为最大加加速度的时间变化率。在一个实施方式中，所述加加速度曲线jerk(t)满足下列定义式(3)：其中，q(3)(t)为所述位移函数的三阶导函数；t为时间；jmax为最大加加速度；Tj为jerk时间周期；Ta为加速度时间周期；Td为减速度时间周期；T为设定的运动总时间。在一个实施方式中，所述加速度曲线具有S形状；所述加速度曲线满足下列定义式(4)：其中，Ts为snap时间周期；amax为最大加速度。在一个实施方式中，所述速度曲线满足下列定义式(5)：其中，v0为初始速度；v1为结束时的速度。在一个实施方式中，所述位移曲线q(t)满足下列定义式(6)：其中，q0为设定的初始位置；q1为结束时的位置；vmax为最大速度。在一个实施方式中，最大速度vmax满足以下表达式：最大加速度amax满足以下表达式：最大加加速度jmax满足以下表达式：最大加加速度的时间变化率smax满足以下表达式：其中，h为总位移，h满足以下表达式：h＝q1-q0；α为设定的速度在整个运动过程中增大或者减小的时间与整个运动时间的比例关系；β为设定的加速度增大或减小的时间与所在的非匀速段的时间比例关系；γ为设定的snap非零时间与所在的非匀加速或者非匀减速段的时间比例关系。在一个实施方式中，十五个连续的时间段t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8t9,t10,t11,t12,t13,t14和t15满足以下表达式(1)：其中，snap时间周期Ts满足下列定义式：jerk时间周期Tj满足下列定义式：加速度时间周期Ta满足下列定义式：减速度时间周期Td满足下列定义式：匀速段时间周期Tv满足下列定义式：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：由于运动轨迹具有连续的运动速度、加速度和jerk(加加速度)，那么该运动轨迹的加加速度就不可能存在突变的现象，从而能够保证机器人的平稳运动，进而提高喷涂效果并提高机器人的服役寿命。附图说明在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术进行更详细的描述。图1是本专利技术的实施例中基于B样条的机器人运动轨迹规划方法的流程图；图2是本专利技术的实施例中实际路径的示意图；图3是本专利技术的实施例中三维路径图在B样条插值前后对比图；图4-9是本专利技术的实施例中不同参数组合的获得的运动轨迹曲线图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术提供一种基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，具体地，提供一种六自由度机械臂对启动和停止运动阶段平稳性和中间匀速运动的轨迹规划方法，该方法在笛卡尔空间和关节空间均可应用。本专利技术的方法包括以下步骤。第一步，获得实际路径曲线，如图2所示，为一个二维跑道形路径的示意图，其中，粗线部分为实际运动轨迹。对实际路径曲线进行均匀数据采样获得关键路径点。其中，关键路径点例如图4所示的圆弧上的1/2象限点和1/4象限点等。第二步，对关键路径点进行B样条插值计算，获得第一路径曲线。如图3所示，在B样条插值前后对比可发现，插值后的曲线与实际路径的拟合精度更高。第三步，根据第一路径曲线，采用S形加速度十五段轨迹规划方法计算获得机器人的运动轨迹曲线。其中，运动轨迹曲线具有连续的速度、加速度曲线和加加速度。由于加加速度曲线连续，因此机器人的加加速度不可能出现突变的现象，从而保证机器人的平稳运动，进提高机器人的服役寿命。本专利技术中获得的机器人的运动轨迹，即位移曲线，具有连续的一阶、二阶和三阶导函数，即该位移曲线具有连续的运动速度、加速度和jerk(加加速度)。其中，该位移曲线的加速度特性曲线形状为两个S形，故命名为“S形加速度”；其jerk(加加速度)特性曲线由十五段组成，该轨迹被划分为十五个连续的时间段，故命名为“S形加速度十五段轨迹”。根据本专利技术的运动轨迹规划方法，可以设置匀速段速度，以及匀速段运行时间占比，从而实现柔性加减速控制，保证机器人的平稳运动，提升系统可靠性。机器人的运动轨迹曲线为位移曲线q(t)；位移曲线q(t)的一阶导函数为速度曲线；位移曲线q(t)的二阶导函数为加速度曲线；位移曲线q(t)的三阶导函数q(3)(t)为加加速度曲线jerk(t)；位移曲线q(t)的四阶导函数q(4)(t)为加加速度的时间变化率曲线snap(t)。本专利技术的S形加速度十五段轨迹规划方法包括以下步骤：第一，根据加加速度的时间变化率曲线snap(t)获得所述加加速度曲线jerk(t)，其中，加加速度的时间变化率曲线以竖直直线方式升降或为常量；第二，根据加加速度曲线jerk(t)获得加速度曲线；第三，根据加速度曲线获得所述速度曲线；第四，根据速度曲线获得位移曲线q(t)。位移曲线q(t)的获取方式如下，首先，对加加速度曲线jerk(t)进行定义。加加速度曲线jerk(t)由十五段组成，其包括十五个连续的时间段，这些连续的时间段分别是：t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8t9,t10,t11,t12,t13,t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获得实际路径曲线，对所述实际路径曲线进行数据采样获得关键路径点；S2：对所述关键路径点进行B样条插值计算，获得第一路径曲线；S3：根据所述第一路径曲线，采用S形加速度十五段轨迹规划方法计算获得机器人的运动轨迹曲线；其中，所述运动轨迹曲线具有连续的速度、加速度曲线和加加速度。

【技术特征摘要】
1.一种基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获得实际路径曲线，对所述实际路径曲线进行数据采样获得关键路径点；S2：对所述关键路径点进行B样条插值计算，获得第一路径曲线；S3：根据所述第一路径曲线，采用S形加速度十五段轨迹规划方法计算获得机器人的运动轨迹曲线；其中，所述运动轨迹曲线具有连续的速度、加速度曲线和加加速度。2.根据权利要求1所述的基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，所述机器人的运动轨迹曲线为位移曲线q(t)；所述位移曲线q(t)的一阶导函数为速度曲线；所述位移曲线q(t)的二阶导函数为加速度曲线；所述位移曲线q(t)的三阶导函数q(3)(t)为加加速度曲线jerk(t)；所述位移曲线q(t)的四阶导函数q(4)(t)为加加速度的时间变化率曲线snap(t)；所述S形加速度十五段轨迹规划方法包括以下步骤：根据所述加加速度的时间变化率曲线snap(t)获得所述加加速度曲线jerk(t)，所述加加速度的时间变化率曲线以竖直直线方式升降或为常量；根据所述加加速度曲线jerk(t)获得加速度曲线；根据所述加速度曲线获得所述速度曲线；根据所述速度曲线获得位移曲线q(t)。3.根据权利要求2所述的基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，所述加加速度曲线包括十五个连续的时间段t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7,t8t9,t10,t11,t12,t13,t14和t15；所述速度曲线、所述加速度曲线jerk(t)以及所述加加速度的时间变化率曲线snap(t)均关于十五个连续的时间段的中间时间点对称。4.根据权利要求2或3所述的基于B样条的机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，所述加加速度的时间变化率曲线snap(t)满足下列定义式(2)：其中，q(4)(t)为所述位移函数的四阶导函数；t为时间；smax为最大加加速度的时间变化率。5.根据权利要求2或3所述的基于B样条的机器人运动轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡永强，黄世龙，宋安福，宋晓禹，
申请(专利权)人：北京克莱明科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11