一种重载工业机器人操作空间内运动轨迹规划方法，它涉及一种机器人运动轨迹的规划方法。本发明专利技术为了解决现有重载机器人运动规划方法中在空间多点样条起始点和终止点加速度不连续的问题，没有实现运动指令光滑性；以及现有重载机器人运动规划没有实现时间最优、能耗最优两者的最佳折衷的问题。技术要点：本方法通过附加项对传统三次样条进行了修正。使其在整个过程中速度、加速度上均保持连续。同时综合考虑时间和能耗最优问题，基于动力学模型选取系统能耗和执行时间作为优化目标，速度、转矩、加加速度作为约束条件，建立多目标优化模型，采用NSGA2非支配遗传算法进行优化模型求解。适用于重载工业机器人的轨迹规划、运动规划等离线计算过程。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种机器人运动轨迹的规划方法，属于机器人运动控制
技术介绍
高速重载工业机器人广泛用于汽车制造，航空制造业，石化冶金，港口物流行业。 高速重载机器人对于提高生产效率，增加生产线柔性制造能力，提高工业自动化水平有着重要意义。重载机器人的运动轨迹规划是保证重载工业机器人高效、可靠、平稳运行的关键核心技术之一。目前重载机器人运动规划存在以下两点基本要求1、要生成运动轨迹必须足够光滑。由此运动规划算法需要选择一个足够光滑的基函数，其需要具备位置指令C2连续，速度指令Cl连续，加速度指令连续，加加速度指令有界。如果运动规划不够合理(例如不可微的速度信号，不连续的加速度信号，无界的加加速度信号)，会导致机器人系统定位精度和轨迹跟踪精度的降低，残余振动的发生，从而使机器人性能严重降低，甚至损坏精密传动部件，减少机器人的使用寿命。2、要满足任务要求的各点之间所生成的运动轨迹保证运行时间最短，运行能耗最小。运行时间最小有利于生产效率提高、生产节拍的加快，降低生产成本。运行能耗最小则是从降低能耗的角度对运动规划进行要求，这点尤其在港口，冶金行业重载堆垛搬运机器人应用上更为重要。对于以上要求，目前国内外机器人及相关运动控制系统所采用的类似技术存在以下问题。首先目前重载机器人和主流的运动控制系统在空间多点样条插补时无法保证在起始点和终止点的加速度连续，即无法保证加速度边界为0。这点需要进行改进。其次国内外已知公开算法皆存在不足。如针对固定路径，Shin KG提出了时间和能耗最优的运动规划算法，但是其产生的加速度和力矩指令是不连续的， 不能满足上面第一点的要求，无法实际应用。通过对力矩指令限幅，Constantinescu在保证光滑性的同时，提出了一种针对时间最优的算法，但是其缺乏对能耗的考虑。Saramago and Steffen针对能耗最优提出了相应运动规划算法，其将执行时间和能耗作为优化目标，但是其所得优化结果依赖于两个目标各自的权重， 对权重的选取较为敏感。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有重载机器人运动规划方法中在空间多点样条起始点和终止 点加速度不连续的问题，没有实现运动指令光滑性；以及现有重载机器人运动规划没有实 现时间最优、能耗最优两者的最佳折衷的问题，进而提供了一种重载エ业机器人操作空间 内运动轨迹规划方法。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是本专利技术所述的ー种重载エ业机器人操作空间内运动轨迹规划方法的具体过程 为步骤A、针对空间内多点采用修正的样条函数进行插值步骤Al、采用三次样条曲线建立基础插补函数，在任意两个预设点之间采用三次 多项式进行插补，基础插补函数的表达式如下 Sj (t) = Bj+bj (t-tj) +Cj (t-tj) 2+dj (t-tj)3t G , j = 0,1,... ,n-2(1)两个相邻预设点之间的时间间隔为比=tj+1-tj ；Bj, bj, Cj, dj为待求系数；n表示 预设点数量；步骤A2、同时在各预设点为保证连续性必须保证函数值もれ)的ー阶导数值 S' j(t)和函数值も“)的ニ阶导数值S" j(t)相等，即为Sj (tj) = a j, j = 0,1, . . , n-2Sn-D = an_:(2)a j表示各预设点坐标值；D = &息)'sj (む‘ = (む)ゾ=0,1,— 3(3)观J =《息)步骤A3、采用固定边界条件，满足在起始点和终止点速度为0 :S' 0(t0) = 0, S' M(V1)=O(4)步骤A3、建立三次样条整体协调方程如下H C = S(5)式中权利要求1. ，其特征在于所述规划方法的 具体过程为步骤A、针对空间内多点采用修正的样条函数进行插值步骤Al、采用三次样条曲线建立基础插补函数，在任意两个预设点之间采用三次多项 式进行插补，基础插补函数的表达式如下 Sj (t) = aj+bj (t-tj) +Cj (t-tj) 2+dj (t-tj) 3 t G ，j = 0，1，…，n- 两个相邻预设点之间的时间间隔为hj = tj+i-tj ；a」、bj. cj. dj为待求系数；n表示预设点数量；步骤42、同时在各预设点为保证连续性保证函数值^5」(丨)的一阶导数值S' j(t)和函 数值的二阶导数值S" j(t)相等，即为Sj (tj) = a J, j = 0,1, ...，n-2S -2(t -i) = a -i(2)a J表示各预设点坐标值；全文摘要，它涉及一种机器人运动轨迹的规划方法。本专利技术为了解决现有重载机器人运动规划方法中在空间多点样条起始点和终止点加速度不连续的问题，没有实现运动指令光滑性；以及现有重载机器人运动规划没有实现时间最优、能耗最优两者的最佳折衷的问题。技术要点本方法通过附加项对传统三次样条进行了修正。使其在整个过程中速度、加速度上均保持连续。同时综合考虑时间和能耗最优问题，基于动力学模型选取系统能耗和执行时间作为优化目标，速度、转矩、加加速度作为约束条件，建立多目标优化模型，采用NSGA2非支配遗传算法进行优化模型求解。适用于重载工业机器人的轨迹规划、运动规划等离线计算过程。文档编号G05D3/00GK102298391SQ20111010731公开日2011年12月28日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日专利技术者孔民秀, 游玮 申请人:哈尔滨工业大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种重载工业机器人操作空间内运动轨迹规划方法，其特征在于：所述规划方法的具体过程为：步骤Ａ、针对空间内多点采用修正的样条函数进行插值：步骤Ａ１、采用三次样条曲线建立基础插补函数，在任意两个预设点之间采用三次多项式进行插补，基础插补函数的表达式如下：Ｓｊ（ｔ）＝ａｊ＋ｂｊ（ｔ－ｔｊ）＋ｃｊ（ｔ－ｔｊ）２＋ｄｊ（ｔ－ｔｊ）３ｔ∈［ｔｊ，ｔｊ＋１］，ｊ＝０，１，．．．，ｎ－２ （１）两个相邻预设点之间的时间间隔为ｈｊ＝ｔｊ＋１－ｔｊ；ａｊ、ｂｊ、ｃｊ、ｄｊ为待求系数；ｎ表示预设点数量；步骤Ａ２、同时在各预设点为保证连续性保证函数值Ｓｊ（ｔ）的一阶导数值Ｓ′ｊ（ｔ）和函数值Ｓｊ（ｔ）的二阶导数值Ｓ″ｊ（ｔ）相等，即为：Ｓｊ（ｔｊ）＝αｊ，ｊ＝０，１，．．．，ｎ－２Ｓｎ－２（ｔｎ－１）＝αｎ－１ （２）αｊ表示各预设点坐标值；（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｆｅｎｃｅｄｏｐｅｎ＝＇｛＇ｃｌｏｓｅ＝＇＇）?（ｍｔａｂｌｅ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｓ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｓ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｓ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｓ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（ｍｔｒ）?（ｍｔｄ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｓ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｓ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｔ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｔｄ）?（／ｍｔｒ）?（／ｍｔａｂｌｅ）?（／ｍｆｅｎｃｅｄ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｊ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｎ）０，１（／ｍｎ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ）．（／ｍｏ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｎ（／ｍｉ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）步骤Ａ３、采用固定边界条件，满足在起始点和终止...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：游玮，孔民秀，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93
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