一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法技術

本發明專利技術公開了一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，包括步驟：首先，由機器人運動學逆解算法，實現機器人笛卡爾空間運動軌跡向關節空間運動軌跡的映射，獲得關節空間關鍵插補點；然后，依據機器人各個關節的最大速度約束，調整笛卡爾插補周期；接著，借助三次多項式曲線進行關節空間關鍵插補點的角速度和角加速度估計，為下一步的五次樣條曲線擬合提供條件；最后，從第一個關節空間關鍵插補點開始，依次使用相鄰兩個關節空間關鍵插補點構造五次樣條曲線，作為關節空間的運動軌跡，再進行關節空間插補。本發明專利技術解決機器人關節空間運動軌跡不平滑的問題。

A smooth trajectory planning method for robot joint space

The invention discloses a robot joint space smooth trajectory planning method, which comprises the following steps: firstly, the robot inverse kinematics algorithm, mapping robot Descartes space trajectory to joint space trajectory, obtaining key interpolation points of joint space; then, based on the maximum velocity constraint of each joint robot, then adjust the Descartes interpolation cycle; that estimate the angular velocity and angular acceleration of the key point of interpolation in joint space with the three polynomial curve, provide the conditions for the next five cubic spline curve fitting; finally, from the beginning of the first joint space key interpolation points, followed by the use of two adjacent key points to construct the joint space interpolation of five spline curve, as trajectory, then joint space interpolation. The invention solves the problem that the motion path of the joint space of the robot is not smooth.

【技術實現步驟摘要】
一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法
本專利技術涉及串聯機器人平滑軌跡規劃方法，特別涉及一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法。
技術介紹
串聯機器人在制造業、農業、娛樂業等行業得到越來越廣泛的應用。機器人運動最終依靠關節運動實現，關節空間運動軌跡不平滑會造成機器人關節的沖擊振動，不僅影響機器人作業質量，而且加快零部件磨損，影響機器人壽命。目前機器人關節空間平滑運動軌跡規劃的研究多以離線的形式進行，需要先進行笛卡爾空間軌跡規劃和機器人運動學逆解得到全部關節角時間-節點序列，再進行曲線擬合或者軌跡優化得到平滑關節空間運動軌跡。但是在實際應用中，由于成本等因素限制，機器人控制器的內存資源非常有限，無法一次性儲存和運算大量的軌跡點數據。另外，由于機器人運動控制實時性的要求，普遍控制器的插補周期在1ms左右，在如此短時間內無法完成復雜的曲線擬合和優化計算。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，旨在解決在最短時間和最小內存消耗下實現實時在線機器人關節空間平滑運動軌跡規劃。本專利技術的目的通過下述技術方案來實現：一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，包括如下步驟：S1、由機器人運動學逆解算法，實現機器人笛卡爾空間運動軌跡向關節空間運動軌跡的映射，獲得關節空間關鍵插補點；S2、依據機器人各個關節的最大速度約束，調整笛卡爾插補周期；S3、借助三次多項式曲線進行關節空間關鍵插補點的角速度和角加速度估計，為下一步的五次樣條曲線擬合提供條件；S4、從第一個關節空間關鍵插補點開始，依次使用相鄰兩個關節空間關鍵插補點構造五次樣條曲線，作為關節空間的運動軌跡，再進行關節空間插補。進一步地，所述步驟S2包含如下步驟：S2.1、第j個笛卡爾插補周期機器人6個關節電機的最大轉速估計如式(1)所示：式中，和分別為關節i第j+1個和第j個插補點，TD為笛卡爾空間插補時間，ri為關節i的減速比；S2.2、第j個笛卡爾插補周期機器人各關節伺服電機計算轉速與最大轉速之比為如果Q小于1，則說明為完成此插補段運動，機器人6個關節中存在電機轉速超出最大轉速；由于插補運動需要保證各軸在約定插補周期內同時完成運動，機器人6個關節完成此插補段運動所需的插補周期均需要增加；S2.3、重新計算第j個笛卡爾空間插補周期式中，int為取整函數；Q為轉速比；TD為默認笛卡爾空間插補周期，TD＝10ms。進一步地，所述步驟S3包含如下步驟：S3.1、令為笛卡爾空間插補和進行機器人運動學逆解之后得到機器人i關節tj時刻轉角值為θj的關節空間關鍵插補點；插補點的角速度和角加速度的估計通過構造三次多項式曲線進行估計；取插補點前一點和后兩個點和構造三次多項式曲線；S3.2、三次多項式曲線表達式如式(4)所示：θ(t)＝at3+bt2+ct+d(4)將四個插補點的時間和位置數值代入式(4)可得將式(5)寫成矩陣形式得則可以解得S3.3、則插補點的角速度估計為插補點的角加速度估計為進一步地，所述步驟S4包含如下步驟：S4.1、五次樣條曲線表達式如式(10)所示θ(t)＝At5+Bt4+Ct3+Dt2+Et+F(10)且滿足邊界條件寫成矩陣的形式則可以解得S4.2、按照1毫秒的關節空間插補周期，依次將t代入式(13)計算得到的關節空間五次樣條運動曲線，即可得到關節空間的插補點，完成關節空間插補。本專利技術相對于現有技術具有如下的優點及效果：本專利技術與離線的關節空間平滑軌跡規劃和優化方法相比，每次只需要存儲4個關鍵插補點，占用系統資源少，每個笛卡爾插補周期只需分別求解1次三次多項式曲線參數和1次五次多項式曲線參數，計算負擔小，可以滿足實時計算的要求，能夠實現實時在線規劃，更具廣泛適用性。附圖說明圖1是本專利技術實施例的機器人關節空間平滑軌跡規劃方法流程示意圖。具體實施方式下面結合實施例及附圖對本專利技術作進一步的詳細描述，但本專利技術的實施方式不限于此。如圖1所示，現以某六自由度垂直關節串聯機器人為對象，按照以下步驟進行機器人關節空間平滑軌跡規劃：一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，包括步驟:S1、由機器人運動學逆解算法，實現機器人笛卡爾空間運動軌跡向關節空間運動軌跡的映射，獲得關節空間關鍵插補點；S2、依據機器人各個關節的最大速度約束，調整笛卡爾插補周期；S3、借助三次多項式曲線進行關節空間關鍵插補點的角速度和角加速度估計，為下一步的五次樣條曲線擬合提供條件；S4、從第一個關節空間關鍵插補點開始，依次使用相鄰兩個關節空間關鍵插補點構造五次樣條曲線，作為關節空間的運動軌跡，再進行關節空間插補。具體而言，所述步驟S2包含如下步驟：S2.1、第j個笛卡爾插補周期機器人6個關節電機的最大轉速估計如式(1)所示式中，和分別為關節i第j+1個和第j個插補點，TD為笛卡爾空間插補時間，ri為關節i的減速比。S2.2、第j個笛卡爾插補周期機器人各關節伺服電機計算轉速與最大轉速之比為如果Q小于1，則說明為完成此插補段運動，機器人6個關節中存在電機轉速超出最大轉速。由于插補運動需要保證各軸在約定插補周期內同時完成運動，機器人6個關節完成此插補段運動所需的插補周期均需要增加。S2.3、重新計算第j個笛卡爾空間插補周期式中，int為取整函數；Q為轉速比；TD為默認笛卡爾空間插補周期，TD＝10ms。具體而言，所述步驟S3包含如下步驟：S3.1、令為笛卡爾空間插補和進行機器人運動學逆解之后得到機器人i關節tj時刻轉角值為θj的關節空間關鍵插補點。插補點的角速度和角加速度的估計通過構造三次多項式曲線進行估計。取插補點前一點和后兩個點和構造三次多項式曲線。S3.2、三次多項式曲線表達式如式(4)所示θ(t)＝at3+bt2+ct+d(4)將四個插補點的時間和位置數值代入式(4)可得將式(5)寫成矩陣形式得則可以解得S3.3、則插補點的角速度估計為插補點的角加速度估計為具體而言，所述步驟S4包含如下步驟：S4.1、五次樣條曲線表達式如式(10)所示θ(t)＝At5+Bt4+Ct3+Dt2+Et+F(10)且滿足邊界條件寫成矩陣的形式則可以解得S4.2、按照1毫秒的關節空間插補周期，依次將t代入式(13)計算得到的關節空間五次樣條運動曲線，即可得到關節空間的插補點，完成關節空間插補。上述實施例為本方面較佳的實施方式，但本方明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何背離本專利技術的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本專利技術的保護范圍之內。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：S1、由機器人運動學逆解算法，實現機器人笛卡爾空間運動軌跡向關節空間運動軌跡的映射，獲得關節空間關鍵插補點；S2、依據機器人各個關節的最大速度約束，調整笛卡爾插補周期；S3、借助三次多項式曲線進行關節空間關鍵插補點的角速度和角加速度估計，為下一步的五次樣條曲線擬合提供條件；S4、從第一個關節空間關鍵插補點開始，依次使用相鄰兩個關節空間關鍵插補點構造五次樣條曲線，作為關節空間的運動軌跡，再進行關節空間插補。

【技術特征摘要】
1.一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：S1、由機器人運動學逆解算法，實現機器人笛卡爾空間運動軌跡向關節空間運動軌跡的映射，獲得關節空間關鍵插補點；S2、依據機器人各個關節的最大速度約束，調整笛卡爾插補周期；S3、借助三次多項式曲線進行關節空間關鍵插補點的角速度和角加速度估計，為下一步的五次樣條曲線擬合提供條件；S4、從第一個關節空間關鍵插補點開始，依次使用相鄰兩個關節空間關鍵插補點構造五次樣條曲線，作為關節空間的運動軌跡，再進行關節空間插補。2.根據權利要求1所述的一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，其特征在于，所述步驟S2包含如下步驟：S2.1、第j個笛卡爾插補周期機器人6個關節電機的最大轉速估計如式(1)所示：式中，和分別為關節i第j+1個和第j個插補點，TD為笛卡爾空間插補時間，ri為關節i的減速比；S2.2、第j個笛卡爾插補周期機器人各關節伺服電機計算轉速與最大轉速之比為如果Q小于1，則說明為完成此插補段運動，機器人6個關節中存在電機轉速超出最大轉速；由于插補運動需要保證各軸在約定插補周期內同時完成運動，機器人6個關節完成此插補段運動所需的插補周期均需要增加；S2.3、重新計算第j個笛卡爾空間插補周期式中，int為取整函數；Q為轉速比；TD為默認笛卡爾空間插補周期，TD＝10ms。3.根據權利要求1所述的一種機器人關節空間平滑軌跡規劃方法，其特征在于，所述步驟S3包含如下步驟：S3.1、令為笛卡爾空間插補和進行機器人運動學逆解之后得到機器人i關節tj時刻轉角值為θj的關節空間關鍵插補點；插補點的角速度和角加速度的估計通過構造三次多項式曲線進行估計；取插補點前一點和后兩個點和構造三次多項式曲線；S3.2、三次多項式曲線表達式如式(4)所示：θ(t)＝at3+bt2+ct+d(4)將四個插補點的時間和位置數值代入式(4)可得將式(5)寫成矩陣形式得

【專利技術屬性】
技術研發人員：張鐵，羅欣，鄒焱飚，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44