[发明专利]一种基于数字滤波的工业机器人NURBS曲线插补方法

说明书

本发明公开了一种基于数字滤波的工业机器人NURBS曲线插补方法，包括如下步骤：S1、读取NURBS曲线数据和运动约束；S2、根据曲率变化情况、轨迹弦高误差约束和最大进给速度约束确定速度极低点的位置和速度，并在该点处将曲线分割成块；S3、利用自适应辛普森算法计算各块曲线的长度，计算过程中各分块曲线将被细分为若干段并生成反长度函数；S4、根据运动约束及各分块曲线的长度和始末速度，计算各滤波器的最短时间长度，然后据此配置配置滤波器和双阶跃输入信号参数，通过数字滤波得到位移规划；S5、位移规划结果结合步骤S3中相应段的反长度函数快速计算得到插值点参数，进而求得期望点的坐标。

技术领域

本发明属于运动控制领域，具体涉及一种基于数字滤波的工业机器人NURBS曲线插补方法。

背景技术

目前主流的工业机器人只支持直线插补和圆弧插补，在加工复杂曲线和曲面时，往往需要需要将其离散成大量的小线段，然而该方法主要存在两个方面的不足：一是小线段一阶不连续导致进给速度存在大小和方向的突变，影响加工精度且会导致系统振动；二是庞大的工程文件会增加内存消耗并对数据通信造成负担，不能满足系统的实时性要求。与传统的小线段方法相比，使用参数插值法具有内存消耗小，速度平滑度高的特点，其中非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS)为自由曲线曲面和解析形状提供了统一的数学表达形式，由于其具有直观性、局部性、收敛性和逼近性等优点，因此STEP-NC采用NURBS作为计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)系统中数据交换的标准接口，并得到广泛的应用。应用NURBS曲线进行复杂曲线曲面加工可以大幅提高工件的加工精度和效率，同时NURBS曲线参数插值也已经成为工业机器人加工中的重要工具。进给速度规划是NURBS曲线插补中的最重要组成部分，Shpitalni(“Realtime curve interpolators,”Computer-Aided Design)提出以恒定的进给速率进行NURBS曲线插补，但此方法未考虑到曲线大曲率对轨迹精度的负面影响；Syh-Shiuh(Adaptive-feedrate interpolation forparametric curves with a confined chord error,Computer-Aided Design)提出在插补过程中根据曲线曲率和弦高误差约束自适应调节进给速度，但此方法未考虑到速度和加速的的平滑性，调整过程中的速度突变会导致运动控制系统振动；Jahanpour(A novelacc-jerk-limited NURBS interpolation enhanced with an optimized S-shapedquintic feedrate scheduling scheme,International Journal of AdvancedManufacturing Technology)对每个曲线转角使用五次多项式规划进给速度，但需要额外的优化算法且只能离线插补，无法满足实时性要求；此外，目前的轨迹规划通常以时间最优、能量最优及平滑性作为规划目标，这类规划方法主要考虑的是单数控设备作业的情况，无法灵活调节运动控制器的运行时间，而在实际应用场景中，工业机器人在进行焊接或分拣操作时，通常需要与其他设备协同完，另外在机器人进行工件切削或打磨操作时，需要根据工件的形状调节进给速度，因此，为了满足与其他运动设备的配合要求和轨迹精度要求，曲线插补器需要灵活地调整轨迹中特定点的进给速度和到达时间。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提出一种基于数字滤波的工业机器人NURBS曲线插补方法，该方法可获得良好的轨迹精度，速度平滑性和较高的插补实时性，且能灵活调节轨迹中关键点的进给速度和到达时间。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于数字滤波的工业机器人NURBS曲线插补方法，包括如下步骤：

S1、获取NURBS曲线数据和运动约束；

S2、根据曲率变化情况、轨迹弦高误差约束和最大进给速度约束确定速度极低点的位置及进给速度，然后在该点处将曲线分割成块；