[发明专利]一种针对机器人操作空间的时间最优轨迹规划方法和装置

说明书

本发明公开了一种针对机器人操作空间的时间最优轨迹规划方法和装置。所述方法包括根据操作空间路径和机器人各轴关节位移对时间的各阶导数，计算约束曲线MVC，根据所述操作空间路径和约束曲线MVC，在操作空间内进行路径积分，得到积分路径等步骤。所述装置包括存储器和处理器。本发明将机器人各轴关节位移对时间的各阶导数所受的限制转化为对弧长参数各阶导数的限制，从而将多维度约束条件转化为单一维度约束条件，使得整个轨迹规划过程更为简单高效，各轴关节始终处于约束的饱和状态下，提高机器人的运行效率，在引入各轴关节加速度和加加速度等位移的高阶导数后，所得的轨迹规划结果可以有效减少机器人末端抖动，提高机器人的稳定性。

技术领域

本发明涉及机器人自动控制技术领域，尤其是一种针对机器人操作空间的时间最优轨迹规划方法和装置。

背景技术

名词解释

轨迹规划：根据机器人需要完成的某个任务，对完成这个任务时机器人的每个关节需要移动的位移、速度、加速度及这些数据与时间的关系进行设定的过程。

时间最优轨迹规划：在各种约束条件都能满足的情况下，所需时间的最短的轨迹规划，或者以所用时间最短作为优化指标对轨迹规划进行优化。

轨迹规划是机器人运动控制过程中不可或缺的一环，其质量直接影响机器人运动的平稳性和生产的效率。现有的针对机器人操作空间的轨迹规划多以笛卡尔空间约束条件为基础进行，并未考虑各关节约束条件。基于笛卡尔空间约束的单一轨迹规划方法能够满足机器人普通使用的基本要求，但是在码垛和点焊等需要机器人高速运行的应用场景下，特别是设定的笛卡尔约束条件过高时，基于笛卡尔空间约束的单一轨迹规划方法的缺点便会暴露出来，使得机器人不能很好地胜任码垛和点焊等工作。

基于笛卡尔空间约束的单一轨迹规划方法的缺点和导致的后果主要有两方面。第一方面，由于机器人是一个高度耦合的系统，机器人末端在笛卡尔空间下的速度是由各个关节的速度合成而来，因此笛卡尔空间下的速度限制会受到操作空间路径影响，即限制性很大，单纯以笛卡尔空间约束进行轨迹规划，机器人关节很容易会超过限制条件，例如发生关节超速等情况，从而导致机器人运行不稳定。另一方面，基于笛卡尔空间约束的单一轨迹规划方法只能对笛卡尔空间的速度限制进行规划，而且属于线性规划，但是受到关节影响的速度限制条件为曲线，基于笛卡尔空间约束的单一轨迹规划方法并不能贴合此曲线，使得机器人运行速度低于实际可以达到的最高速度，降低了生产效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种针对机器人操作空间的时间最优轨迹规划方法，第二目的在于提供一种针对机器人操作空间的时间最优轨迹规划装置。

本发明所采取的第一技术方案是：

一种针对机器人操作空间的时间最优轨迹规划方法，包括以下步骤：

S1.根据给定的与弧长参数有关的操作空间路径、设定的机器人各轴关节位移对时间的各阶导数，计算约束曲线MVC；

S2.根据所述操作空间路径和约束曲线MVC，在操作空间内进行路径积分，所得的积分路径为时间最优的轨迹规划结果。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21.从所述操作空间路径的起始点开始进行第一前向积分，所述第一前向积分的轨迹为第一前向积分曲线，所述第一前向积分在到达第一前向积分曲线与约束曲线MVC的交点时结束；所述第一前向积分结束时对应的弧长参数记为第一弧长参数；

S22.从所述操作空间路径中弧长参数等于第一弧长参数所对应的点开始寻找切换点；

S23.从所述切换点开始进行第一反向积分，所述第一反向积分的轨迹为第一反向积分曲线，所述第一反向积分在到达第一反向积分曲线与第一前向积分曲线的交点时结束，然后从所述切换点开始进行第二前向积分；