【技术实现步骤摘要】
基于NURBS曲线插补算法的冗余机械臂实时前瞻轨迹规划方法
[0001]本专利技术涉及冗余机械臂应用
，尤其涉及一种基于NURBS曲线插补算法的冗余机械臂实时前瞻轨迹规划方法。
技术介绍
[0002]在机械臂末端执行器的工作空间内，已知一系列离散的目标路径点，工业机器人多采用直线和圆弧插补方法进行路径拟合。但是，对于复杂路径，需要大量的直线段及圆弧段，计算过程复杂且路径平滑性难以保证。
[0003]由于样条曲线具有连续性好、曲率变化均匀的特点，适用于自由构型曲线的拟合，因此，已有人采用样条曲线进行机械臂轨迹规划。但是，现有采用样条曲线实现的机械臂轨迹规划方法，存在以下技术问题：机器人控制系统是高度约束的，关节具有边界位置，关节速度及加速度会受到驱动器限制。在机器人运动时，各个关节变量是直接控制的对象，应满足机械臂运动学约束条件。由于关节空间与末端执行器的工作空间并不是线性相关的，如果只在工作空间中对机械臂末端进行轨迹规划，在执行时可能会造成关节变量饱和，使机械臂末端执行器偏离期望轨迹，产生较大的跟踪误差，甚至可...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于NURBS曲线插补算法的冗余机械臂实时前瞻轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据给定的机械臂末端执行器目标路径点，反算NURBS曲线的节点矢量及控制顶点，构造NURBS曲线作为机械臂末端执行器期望路径；S2：首先利用加减速控制算法规划匀加速段及匀速段的末端执行器期望插补速度；然后在笛卡尔空间中计算由弓高误差限制的末端执行器插补速度；最后引入前瞻算法，考虑机械臂关节速度及加速度约束对插补速度进行缩放；S3：采用预估校正法确定插补参数，利用一阶泰勒展开式预估插补参数值，根据预估插补速度与期望插补速度之间的速度误差判断是否对插补参数值进行校正，最终得到满足要求的预估插补点即为机械臂末端当前时刻的期望位置；S4：根据冗余机械臂闭环逆运动学控制算法解算关节变量，并通过梯度投影法进行优化以实现关节限位；S5：每个采样周期均重复步骤S2至步骤S4，前瞻窗口随轨迹向前移动，直至前瞻窗口末端插补参数值为1时，认为此次迭代为减速段开始点；S6：从预测减速点开始进入减速阶段，停止前瞻算法不再更新速度缩放因子，将加减速规划算法得到的匀减速段的规划插补速度作为期望插补速度，重复步骤S3和S4，使得机械臂平稳减速直至末端到达给定的路径终点。2.根据权利要求1所述的基于NURBS曲线插补算法的冗余机械臂实时前瞻轨迹规划方法，其特征在于，步骤S1具体由以下步骤实现：S1.1：由插补参数u所决定的NURBS曲线参数方程如下：其中，C(u)表示NURBS曲线参数方程，{d
i
}表示n+1个控制顶点，{w
i
}表示n+1个与控制顶点相对应的权因子，N
i,p
(u)表示定义在非均匀节点矢量U＝[u0,u1,...,u
n+p+1
]上的第i个p次B样条基函数，其表达式如下：其中，N
i,p
(u)的第一下标i表示序号，等于其支承区间[u
i
,u
i+k+1
]左端节点的下标，第二下标p表示样条曲线的次数；S1.2：采用积累弦长参数化方法对给定的机械臂末端路径点进行参数化处理，并将其进行规范化得到三次NURBS曲线的节点矢量；S1.3：令NURBS曲线的首末端点一致，令NURBS曲线的首末路径点一致，令NURBS曲线分段连接点与路径中间点一致，并在NURBS曲线两端点处补充自由端点条件，代入NURBS曲线参数方程(1)，构造线性方程组，求解后得到控制顶点；
S1.4：给定权因子，根据步骤S1.2所确定的节点矢量及步骤S1.3解算的控制顶点，可唯一地确定一条经过给定的机械臂末端执行器目标路径点的三次NURBS曲线。3.根据权利要求2所述的基于NURBS曲线插补算法的冗余机械臂实时前瞻轨迹规划方法，其特征在于，步骤S2具体由以下步骤实现：S2.1：根据加减速规划算法，由机械臂末端最大运动速度及前瞻窗口长度规划匀加速段及匀速段的机械臂末端执行器期望插补速度；S2.2：在笛卡尔空间中计算由弓高误差限制的机械臂末端执行器插补速度；S2.3：根据前瞻算法，考虑机械臂关节速度及加速度极限更新速度缩放因子；S2.4：对规划插补速度与弓高误差限制的插补速度进行比较，取小值后通过速度缩放因子进行修正，最终得到机械臂末端的最大容许期望插补速度值。4.根据权利要求3所述的基于NURBS曲线插补算法的冗余机械臂实时前瞻轨迹规划方法，其特征在于，步骤S2.1具体由以下步骤实现：2.1.1：已知机械臂末端最...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱明超，刘天雨，李艳辉，崔靖凯，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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