混合空间过渡轨迹规划方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种混合空间过渡轨迹规划方法及装置，属于工业机器人运动控制技术领域，包括获取过渡轨迹规划的运动参数；对第一段轨迹和第二段轨迹进行独立预规划，计算关节空间的轨迹的规划总时间和/或笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间；根据关节空间的轨迹的规划总时间和/或笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间以及过渡参数百分比，计算平滑过渡时间以及过渡点的边界条件；基于过渡点的边界条件和平滑过渡时间，在关节空间内构造样条曲线并进行求解。本发明专利技术从过渡段前后两段轨迹本身的运动特性出发，对两段轨迹进行独立预规划计算平滑过渡时间及过渡点的边界条件，避免出现过渡段速度过冲导致超速或降速明显。段速度过冲导致超速或降速明显。段速度过冲导致超速或降速明显。

【技术实现步骤摘要】
混合空间过渡轨迹规划方法及装置


[0001]本专利技术涉及工业机器人运动控制
，具体涉及一种混合空间过渡轨迹规划方法及装置。

技术介绍

[0002]工业机械臂已经广泛运用于各个领域，极大地提高了生产效率。笛卡尔空间轨迹一般用于作业任务，例如焊接、涂胶等，关节空间轨迹一般用于不同作业任务之间点到点的位姿转换，两者独立规划已经成熟且较为常见。在实际应用场景中，机械臂的运动轨迹往往需要在两个空间中不停转换来完成一项完整的加工任务，如果还采用每段轨迹单独规划的方式则会造成机械臂在轨迹收尾阶段时频繁启停，不仅降低了作业效率，且容易对机械臂造成冲击，增加时间成本和能耗成本。
[0003]针对上述需求，目前已有的研究是在多段轨迹之间采用过渡段的方式平滑运动，即从上一条轨迹平滑过渡到下一条轨迹，中间不停顿。工业界常用的是圆弧过渡，可保证轨迹平滑且可实现匀速过渡，但一般只用在直线与直线轨迹之间，其他轨迹之间的拼接由于加速度的跃变导致并不适用圆弧过渡。
[0004]针对混合空间过渡，中国专利技术专利“一种工业机器人应用的过渡轨迹规划方法”(申请号201610075346.7)对位姿6个自由度分别采用基于五次多项式的两条抛物线融合合成过渡曲线的算法，保证了轨迹、速度、加速度的平滑性，对于无位置变化仅有姿态变化的轨迹也能实现过渡。但该方案存在的缺陷也较为明显：一是轨迹过渡的平滑时间选取策略较难，选取不当容易造成过渡段速度过冲或降速明显；二是在过渡点速度选取上只是简单使两者相等，无法兼顾平衡前后两段轨迹的动态特性，可能对机械臂造成抖动，影响作业效率；三是该方案研究只在规划层进行研究，没有考虑插补时精度问题及在线调速问题，而在实际工程应用中，确保轨迹精度以及示教模式下过渡算法支持在线调速是基础，因此同时兼顾考虑混合空间的规划层算法与插补层精度指标和在线调速特性是很有必要的。
[0005]中国专利技术专利“一种基于混合空间的工业机器人过渡轨迹规划方法”(申请号202010978202.9)使用笛卡尔空间加关节空间的混合空间矢量描述方法来规划机器人的过渡轨迹，可实现奇异段运动路径与常规段运动路径之间的过渡轨迹规划。通过混合空间规划方法对机器人存在奇异区域的过渡轨迹进行规划，雅可比矩阵连接轨迹过渡点处的混合空间和笛卡尔空间的速度、加速度矢量，使得机器人末端轨迹平滑过渡，避免了常规的笛卡尔空间过渡轨迹规划方法会对机器人本体产生冲击的情况。但该方案存在的缺陷也较为明显：一是该方案未对衔接的下一段轨迹进行前瞻预规划，因此过渡终点Pe的速度信息会选取不当导致下一段规划失败，并且容易造成过渡段速度过冲或降速明显；二是该主要针对奇异段运动路径进行规划，不适用于所有混合空间场景；同时，方案研究只在规划层进行研究，没有考虑插补时精度问题及在线调速问题，而在实际工程应用中，确保轨迹精度以及示教模式下过渡算法支持在线调速是基础，因此同时兼顾考虑混合空间的规划层算法与插补层精度指标和在线调速特性是很有必要的。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于如何实现平滑时间及过渡点速度的可靠稳定选取，避免出现过渡段速度过冲导致超速或降速明显。
[0007]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0008]一方面，本专利技术提出了一种混合空间过渡轨迹规划方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]获取过渡轨迹规划的运动参数，所述运动参数包括第一段轨迹的起点位姿和终点位姿以及第二段轨迹的终点位姿和过渡参数百分比，所述第一段轨迹和所述第二段轨迹为笛卡尔空间的直线轨迹或关节空间的轨迹；
[0010]对所述第一段轨迹和所述第二段轨迹进行独立预规划，计算所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间；
[0011]根据所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间以及所述过渡参数百分比，计算平滑过渡时间以及过渡点的边界条件；
[0012]基于所述过渡点的边界条件和所述平滑过渡时间，在关节空间内构造样条曲线并进行求解，得到过渡曲线的轨迹方程。
[0013]本专利技术从过渡段前后两段轨迹本身的运动特性出发，对两段轨迹进行独立预规划，计算关节空间的轨迹的规划总时间和/或笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间，从而计算平滑过渡时间及过渡点的边界条件，避免出现过渡段速度过冲导致超速或降速明显，将混合空间过渡段映射到关节空间，构造一条位置、速度及加速度均连续的过渡轨迹，可实现关节空间与关节空间、关节空间与笛卡尔空间之间的轨迹平滑过渡，而且不存在姿态过渡的问题。
[0014]进一步地，所述对所述第一段轨迹和所述第二段轨迹进行独立预规划，计算所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间，包括：
[0015]对于所述关节空间的轨迹，根据逆运动学计算出该轨迹起点位姿对应的起点关节角以及终点位姿对应的终点关节角，并根据S型曲线加减速算法对该轨迹进行起点关节速度为0、终点关节速度为0的预规划，得到所述关节空间的轨迹的规划总时间；
[0016]对于所述笛卡尔空间的直线轨迹，根据S型曲线加减速算法对该轨迹进行起点速度为0、终点速度为0的预规划，得到所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间。
[0017]进一步地，所述根据所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间以及所述过渡参数百分比，计算平滑过渡时间以及过渡点的边界条件，包括：
[0018]在所述第一段轨迹和所述第二段轨迹为不同空间的轨迹时，将属于所述关节空间的轨迹的规划总时间的一半与属于所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间进行比较，取两者中较小值与所述过渡参数百分比相乘，得到所述平滑过渡时间；
[0019]在所述第一段轨迹和所述第二段轨迹均为所述关节空间的轨迹时，将两段轨迹的规划总时间中较小值的一半与所述过渡参数百分比相乘，得到所述平滑过渡时间；
[0020]基于所述平滑过渡时间，计算所述过渡点的边界条件，所述过渡点包括过渡起点和过渡终点。
[0021]进一步地，所述基于所述平滑过渡时间，计算所述过渡点的边界条件，包括：
[0022]对于为所述关节空间的轨迹，将所述平滑过渡时间代入该轨迹预规划后的时间插
值函数，得到第一过渡点的关节角和关节速度；
[0023]对于为所述笛卡尔空间的直线轨迹，将所述平滑过渡时间代入该直线轨迹预规划后的时间插值函数，得到与所述平滑过渡时间对应的位移，并根据所述位移和该轨迹的长度，更新所述过渡参数百分比；
[0024]基于更新后的所述过渡参数百分比，计算该直线轨迹上的过渡点的位姿和对应的笛卡尔速度六分量；
[0025]根据逆向运动学将所述直线轨迹上的过渡点的位姿进行反接，得到第二过渡点的关节角；
[0026]根据雅克比矩阵将所述笛卡尔速度六分量映射为第二过渡点的关节速度，其中所述第一过渡点和所述第二过渡点中的一个作为所述过渡起点、另一个作为所述过渡终点。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合空间过渡轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：获取过渡轨迹规划的运动参数，所述运动参数包括第一段轨迹的起点位姿和终点位姿、第二段轨迹的终点位姿和过渡参数百分比，所述第一段轨迹和所述第二段轨迹为笛卡尔空间的直线轨迹或关节空间的轨迹；对所述第一段轨迹和所述第二段轨迹进行独立预规划，计算所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间；根据所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间以及所述过渡参数百分比，计算平滑过渡时间以及过渡点的边界条件；基于所述过渡点的边界条件和所述平滑过渡时间，在关节空间内构造样条曲线并进行求解，得到过渡曲线的轨迹方程。2.如权利要求1所述的混合空间过渡轨迹规划方法，其特征在于，所述对所述第一段轨迹和所述第二段轨迹进行独立预规划，计算所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间，包括：对于所述关节空间的轨迹，根据逆运动学计算出该轨迹起点位姿对应的起点关节角以及终点位姿对应的终点关节角，并根据S型曲线加减速算法对该轨迹进行起点关节速度为0、终点关节速度为0的预规划，得到所述关节空间的轨迹的规划总时间；对于所述笛卡尔空间的直线轨迹，根据S型曲线加减速算法对该轨迹进行起点速度为0、终点速度为0的预规划，得到所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间。3.如权利要求1所述的混合空间过渡轨迹规划方法，其特征在于，所述根据所述关节空间的轨迹的规划总时间和/或所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间以及所述过渡参数百分比，计算平滑过渡时间以及过渡点的边界条件，包括：在所述第一段轨迹和所述第二段轨迹为不同空间的轨迹时，将属于所述关节空间的轨迹的规划总时间的一半与属于所述笛卡尔空间的直线轨迹的减速段时间进行比较，取两者中较小值与所述过渡参数百分比相乘，得到所述平滑过渡时间；在所述第一段轨迹和所述第二段轨迹均为所述关节空间的轨迹时，将两段轨迹的规划总时间中较小值的一半与所述过渡参数百分比相乘，得到所述平滑过渡时间；基于所述平滑过渡时间，计算所述过渡点的边界条件，所述过渡点包括过渡起点和过渡终点。4.如权利要求3所述的混合空间过渡轨迹规划方法，其特征在于，所述基于所述平滑过渡时间，计算所述过渡点的边界条件，包括：对于为所述关节空间的轨迹，将所述平滑过渡时间代入该轨迹预规划后的时间插值函数，得到第一过渡点的关节角和关节速度；对于为所述笛卡尔空间的直线轨迹，将所述平滑过渡时间代入该直线轨迹预规划后的时间插值函数，得到与所述平滑过渡时间对应的位移，并根据所述位移和该轨迹的长度，更新所述过渡参数百分比；基于更新后的所述过渡参数百分比，计算该直线轨迹上的过渡点的位姿和对应的笛卡尔速度六分量；根据逆向运动学将所述直线轨迹上的过渡点的位姿进行反接，得到第二过渡点的关节角；
根据雅克比矩阵将所述笛卡尔速度六分量映射为第二过渡点的关节速度，其中所述第一过渡点和所述第二过渡点中的一个作为所述过渡起点、另一个作为所述过渡终点。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的混合空间过渡轨迹规划方法，其特征在于，在所述基于所述过渡点的边界条件和所述平滑过渡时间，在关节空间内构造样条曲线并进行求解，得到过渡曲线的轨迹方程之后，还包括：设定插补时间T1＝interp_time，其中，interp_time是系统给定的插补周期；实时检测速度倍率值rate，并基于当前检测的所述速度倍率值更新上一所述插补周期，计算当前的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏飞，杨健，王权，郭龙，
申请(专利权)人：合肥哈工图南智控机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：