[发明专利]一种基于位置和姿态约束的机器人小线段前瞻规划方法

说明书

本发明公开了一种基于位置和姿态约束的机器人小线段前瞻规划方法，采用小线段前瞻规划方法获得机器人每个关节角速度规划数据，其特征在于采用融合速度向量替代线性速度作为前瞻规划方法中的规划量，其中：v₁、v₂、v₃表示末端坐标系原点沿着基坐标X、Y、Z轴方向运动的线速度，ω₁，ω₂，ω₃表示欧拉角的角速度。本发明对姿态和位置同时起到约束作用，可以有效避免机器人末端坐标系的姿态或位置其中任意一个或同时产生突变，若姿态不变，线速度可以达到设定的最大值，效率高，同时将姿态速度与线速度融合为一个量，被控量减少，计算更加简单、运算速度更快。

技术领域

本发明涉及工业机器人按照一定轨迹对曲面、曲线进行焊接、喷涂、装配和加工领域。

背景技术

在工业生产实践中，工业机器人广泛运用于焊接、喷涂、装配和加工领域。有时需要机器人沿着特定的曲线运行，通过传统的示教方式很难得到所需要的轨迹路径。这时需要借助离线编程软件将该曲线划分为很多段小的直线和圆弧。在常规的轨迹规划中，对每条小线段做加减速处理使线段两端速度为零，这种方法不仅需要电机频繁启停，而且导致末端运行速度始终较低，达不到要求。

在末端坐标系运动时，已有的前瞻算法只考虑了末端坐标系原点运动的线速度规划，未考到末端坐标系姿态的变化。在实际使用中，坐标系姿态可能会在瞬间产生较大的跃变，对电机冲击较大；采用对加权融合速度进行规划，对姿态和位置同时起到约束作用，可以有效避免机器人末端坐标系的姿态或位置其中任意一个或同时产生突变，若姿态不变，线速度可以达到设定的最大值，效率高，同时将姿态速度与线速度融合为一个量，被控量减少，计算更加简单、运算速度更快。采用分段平滑指数加减数做速度规划，不仅速度连续，而且加速度连续，柔性冲击小，与梯形加减速相比不仅保证速度连续，而且加速度连续，不存在加速度跃变，避免柔性冲击，保证较高的柔性；与S型曲线加减速相比，在保证加速度连续同时，加速度增长更快，效率更高。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种基于位置和姿态约束的机器人小线段前瞻规划方法。

技术方案：该方法采用小线段前瞻规划方法获得机器人每个关节角速度规划数据，并采用融合速度向量替代线性速度作为前瞻规划方法中的规划量，其中：v₁、v₂、v₃表示末端坐标系原点沿着基坐标X、Y、Z轴方向运动的线速度，ω₁，ω₂，ω₃表示欧拉角的角速度。

在更优的实施方式中，融合速度经加权后获得加权融合速度向量替代线性速度作为前瞻规划方法中的规划量，其中σ为缩放系数由用户设定。

优选的前瞻规划方法中，包括确定前瞻段数、当前第i段段末融合速度以及当前段加权融合速度V(t)与时间t的关系规划的步骤，所述三个步骤均采用分段平滑指数加减速曲线对速度进行规划，加速度公式如下：

其中A_m为允许最大融合加速度，由用户设定；t_u为加速总时间，时间t单位为s；V₀表示在初始速度为0的前提下，按上述加减速函数加速0.5秒后的速度，V₀＝V(0.5)＝A_m(1-1.5e^-0.5)；

本发明的具体步骤为：

(1)利用离线编程软件根据机器人需要运动的轨迹路径，生成机器人末端坐标系离散位置和姿态数据，然后求取每一段的融合路径长度L_i