機器人的運動前瞻方法
【專利說明】機器人的運動前瞻方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種機器人的運動前瞻方法，尤其是指一種根據機器人末端執(zhí)行機構 的未來三段的運動信息決定機器人在當前段的運動軌跡的方法。 【【背景技術】】
[0002] 機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人，在機器人的運動控 制中，很多情況下需要根據給定的機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，求解機器人各關節(jié)的 關節(jié)變量，進行機器人離線編程和軌跡規(guī)劃。此時，如果按照常規(guī)插補方法控制，只在相鄰 兩線段間進行插補前加減速處理，當遇到軌跡急拐彎等情況時，將產生很大的加（減）速 度，而且產生的沖擊將使機器人結構無法承受。
[0003] 現(xiàn)有的一種有效方法就是前瞻控制，它是一種提前發(fā)現(xiàn)軌跡突變，并對機器人末 端執(zhí)行器的速度進行有效控制的方法。目前的速度前瞻控制技術有Hermite樣條插值方 法、B樣條插值方法和PVT控制方法等，這些速度控制方式都是位置伺服的速度插補原理， 在實際插補運動中都得頻繁地進行加速和減速變化，不能使速度平滑穩(wěn)定地變化。
[0004] 因此，有必要設計一種機器人的運動前瞻方法，以克服上述問題。 【
【發(fā)明內容】
】
[0005] 本發(fā)明的創(chuàng)作目的在于提供一種機器人的運動前瞻方法，根據機器人的末端執(zhí)行 機構在未來三段的運動信息，決定機器人的末端執(zhí)行機構在當前段的運動軌跡，使機器人 的末端執(zhí)行機構實現(xiàn)快速、連續(xù)、平穩(wěn)且順滑的運動。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0007] -種機器人的運動前瞻方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0008] (1).提供一機器人與一工作臺，建立所述工作臺與所述機器人相關聯(lián)的笛卡爾空 間坐標系，所述機器人具有一末端執(zhí)行機構；
[0009] (2).提供一控制終端，確定所述末端執(zhí)行機構在笛卡爾空間坐標系中的起畫點；
[0010] (3).使用者輸入文字或繪制圖案，所述控制終端將輸入的文字或繪制的圖案轉化 成一平面坐標系中的m個有序路徑點；
[0011] (4).連接所述控制終端與所述機器人，所述控制終端讀取m個有序路徑點，并將m 個有序路徑點通過迭代的方式以一第一長度進行采樣得到η個有序路徑點，并將采樣后的 第一個有序路徑點作為起畫點將η個有序路徑點換算到笛卡爾空間坐標系中；
[0012] (5).按照采樣后的η個有序路徑點，以五個連續(xù)的有序路徑點構成當前段與未來 依序三段，根據五個連續(xù)的有序路徑點，所述控制終端對所述機器人的各關節(jié)分別進行解 耦，且各關節(jié)按同時到達的原則，得出所述末端執(zhí)行機構在當前段的運動時間t ;
[0013] (6).依據所述末端執(zhí)行機構在當前段的運動時間t，結合可靠收斂的數值解法， 從全局出發(fā)進行迭代尋優(yōu)，并輔之奇異狀態(tài)分析，防止所述機器人的關節(jié)出現(xiàn)過速問題，然 后綜合解耦，使所述末端執(zhí)行機構在各有序路徑點平穩(wěn)、順滑地通過，得到各關節(jié)在當前段 的初始速度V。、終點速度Vi、最大速度￥_、運動位移Θ的最優(yōu)解；
[0014] (7).按照最優(yōu)解的初始速度V。、終點速度Vi、最大速度￥_、運動位移Θ關節(jié)運動 速度曲線，從而生成特定的具有優(yōu)良運動性能的運動軌跡，使所述末端執(zhí)行機構在所述工 作臺按照當前段的運動軌跡作動。
[0015] 進一步，在步驟（4)中以第一個有序路徑點作為采樣起點，將距離第一個有序路 徑點小于所述第一長度的有序路徑點舍棄，取距離第一個有序路徑點為所述第一長度的有 序路徑點作為采樣后的第二個有序路徑點，以上述第二個有序路徑點為采樣起點，同樣將 距離第二個有序路徑點小于所述第一長度的有序路徑點舍棄，取距離第二個有序路徑點為 所述第一長度的有序路徑點作為采樣后的第三個有序路徑點，依次這樣采用迭代的方式針 對m個有序路徑點進行采樣得到η個有序路徑點，其中在采樣的過程中，當下一個有序路徑 點距離上一個采樣后的有序路徑點的距離大于一第二長度時，其中所述第二長度大于所述 第一長度，所述末端執(zhí)行機構在該下一個有序路徑點處進行抬筆作動，且移動到該下一個 有序路徑點的下一個繼續(xù)進行采樣；當后面僅有的有序路徑點距離作為采樣起點的上一個 有序路徑點均小于所述第一長度，或者后面再沒有有序路徑點時，那么可以判斷所述末端 執(zhí)行機構在作為采樣起點的有序路徑點處其作動終止。
[0016] 進一步，步驟（5)為所述末端執(zhí)行機構在當前段的運動時間t規(guī)劃，在基于所述末 端執(zhí)行機構準確到達五個連續(xù)有序路徑點的前提下，通過D-Η模型法獲得所述末端執(zhí)行機 構相對于笛卡爾空間坐標系的位姿矩陣，對所述機器人的各關節(jié)分別進行解耦，得到各關 節(jié)的角度值，依據已確定的各關節(jié)最大速度與最大加速度的邊界條件，以及當前段各關節(jié) 運動時間關于當前段與未來三段各段運動位移的目標函數，各關節(jié)采用最速原則，保證各 關節(jié)平穩(wěn)順滑，求得所述機器人各關節(jié)在當前段的運動時間，綜合所述機器人各關節(jié)的運 動狀態(tài)，且各關節(jié)采用同時到達的原則，從而找到所述末端執(zhí)行機構在當前段優(yōu)化的運動 時間t。
[0017] 進一步，在步驟（5)中，當可供連續(xù)選取的有序路徑點少于五個時，根據有序路徑 點的數目與數值五之間的差值，最末的有序路徑點則在原有的基礎上再被重復計算該差值 的次數，所述末端執(zhí)行機構在該最末的有序路徑點的作動終止。
[0018] 進一步，步驟（3)中，在使用者輸入文字或繪制圖案時，選擇輸入所述末端執(zhí)行機 構生成對應該文字或圖案的運動軌跡的比例大小。
[0019] 進一步，所述控制終端包括一工業(yè)PC機和具有觸屏輸入功能的一手持盒，所述手 持盒基于嵌入式系統(tǒng)筆畫生成與相關傳輸協(xié)議制定，且通過網際網絡連接所述工業(yè)PC機。
[0020] 進一步，步驟（2)中，在所述手持盒的系統(tǒng)中安裝一書寫工具包，使用者打開所述 書寫工具的畫板用以手寫文字或繪制圖案。
[0021] 進一步，所述手持盒安裝一內存卡，用以存儲使用者書寫的文字或繪制的圖案轉 換成平面坐標系中的m個有序路徑點。
[0022] 進一步，所述控制終端僅包括一工業(yè)PC機，使用者通過所述工業(yè)PC機的鍵盤輸入 文字，所述工業(yè)PC機通過字模分析與筆畫生成使輸入的文字轉換成平面坐標系中的m個有 序路徑點。
[0023] 進一步，在步驟（1)中，所述末端執(zhí)行機構安裝一裱花工具，用于在生日蛋糕上寫 字或繪制圖案。
[0024] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明利用所述末端執(zhí)行機構在未來三段的運動信息，結合所 述機器人的各關節(jié)的耦合作用的特點，即可完成一次運動規(guī)劃，所得結果，可使所述執(zhí)行末 端機構提速30%，且平穩(wěn)性與順滑性均得到提升，同時在之后的各段運動規(guī)劃中采用迭代 尋優(yōu)的方法，保證系統(tǒng)逐漸趨于最佳的運動狀態(tài)，并可提前預知所述末端執(zhí)行機構急拐彎 的情況，提前做好降速的準備，防止出現(xiàn)急拐彎，速度突變。 【【附圖說明】】
[0025] 圖1為本發(fā)明機器人寫字系統(tǒng)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明機器人寫字系統(tǒng)的命令書寫方式流程圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明機器人寫字系統(tǒng)的觸屏書寫方式流程圖；
[0028] 圖4為機器人的運動前瞻方法流程圖。
【具體實施方式】 [0029] 的附圖標號說明：
[0030] 機器人 1 底座 10
[0031] 腰部回轉部件 20 大臂 30
[0032] 小臂 40 手腕部件 50