一種安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器人任務(wù)空間軌跡規(guī)劃方法，尤其涉及一種安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，屬于機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人技術(shù)作為二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，從60年代問世以來，經(jīng)歷五十多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。機(jī)器人按領(lǐng)域大致可以分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人；特種機(jī)器人包括航天機(jī)器人、無人機(jī)、軍用機(jī)器人等；服務(wù)機(jī)器人包括掃地機(jī)器人、情感陪護(hù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和娛樂休閑機(jī)器人等；工業(yè)機(jī)器人則已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可少的核心裝備，其按用途可以分為焊接機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、移動(dòng)小車(AGV)、分揀機(jī)器人、沖壓鍛造機(jī)器人、切割機(jī)器人、研磨拋光機(jī)器人和噴涂機(jī)器人等；工業(yè)機(jī)器人按結(jié)構(gòu)可以分為關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、直角坐標(biāo)式機(jī)器人等。
[0003]機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展快速的提高了社會(huì)生產(chǎn)力水平和人類的生活質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人可以完成人類無法完成或?qū)θ梭w有害的工作，可以有效的提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量、將人從枯燥單調(diào)的重復(fù)性工作中解放出來。
[0004]目前，工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃方式主要分為:離線編程和人工示教編程。在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，目標(biāo)軌跡的幾何形狀和位置以及它的周圍的環(huán)境是已知的情況下，可以利用計(jì)算機(jī)的離線編程技術(shù)進(jìn)行機(jī)器人的路徑規(guī)劃；而對(duì)于復(fù)雜路徑和非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的軌跡，仍然采用現(xiàn)場(chǎng)人工示教的方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，這是目前應(yīng)用最多的方法。在進(jìn)行人工示教軌跡時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以分為連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)如直線運(yùn)動(dòng)、圓弧運(yùn)動(dòng)等，機(jī)器人末端沿設(shè)定的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)；而點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)只是要求機(jī)器人末端從當(dāng)前點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到指定位置點(diǎn)。采用點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式的特點(diǎn)是:運(yùn)動(dòng)速度快，其中間路徑無法確定，不受機(jī)器人的奇異點(diǎn)限制。
[0005]機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑依存于機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的位置，在附圖1中描述了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的路徑示例。從附圖1中可以看出，機(jī)器人末端從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，其中間路徑是不規(guī)則的，并且是很難直觀預(yù)測(cè)的。如附圖2所示，當(dāng)存在障礙物1時(shí)，示教人員移動(dòng)機(jī)器人末端從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)，然后以點(diǎn)到點(diǎn)的方式記錄下此B點(diǎn)，軌跡再現(xiàn)時(shí)，A點(diǎn)到B點(diǎn)就會(huì)以點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)，且其中間過程路徑無法確定與預(yù)測(cè)，因此，示教人員通常會(huì)操作機(jī)器人退回到A點(diǎn)，然后低速再現(xiàn)A點(diǎn)到B點(diǎn)的軌跡，觀察此段軌跡是否與周圍結(jié)構(gòu)有干涉且是否合理；如果有干涉，則此段軌跡需要重新示教。傳統(tǒng)的人工示教方式下，機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)只需要設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)和插補(bǔ)方式，不關(guān)心中間路徑，亦不關(guān)心安全工作空間范圍，因此，軌跡再現(xiàn)時(shí)可能發(fā)生干涉的現(xiàn)象，則需要重新示教，反復(fù)的示教和軌跡驗(yàn)證會(huì)造成示教任務(wù)繁重、示教點(diǎn)較多和示教效率低下的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是:提出了一種安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，能夠很大程度上減少了示教點(diǎn)的數(shù)量，從而減輕示教工作的任務(wù)量，提高了人工示教效率。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，包括以下步驟:
[0008](1)設(shè)定安全空間:機(jī)器人的安裝位置以及周圍設(shè)備和環(huán)境的布局已定，通過測(cè)量或建模等方法確定機(jī)器人能夠安全工作的空間，然后使用示教器設(shè)定機(jī)器人的安全工作空間沮圍;
[0009](2)人工示教:根據(jù)機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的需求，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的示教工作；
[0010](3)干涉檢查:機(jī)器人在執(zhí)行點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)的位姿和目標(biāo)點(diǎn)的位姿以及運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定進(jìn)行兩點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃的過程中，機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法會(huì)判斷路徑中每一個(gè)路徑點(diǎn)是否在步驟1設(shè)定的安全工作空間范圍內(nèi)；
[0011](4)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行:如果步驟3中規(guī)劃的所有路徑點(diǎn)都在安全工作空間范圍內(nèi)，則機(jī)器人按照所規(guī)劃的路徑執(zhí)行；如果有一個(gè)路徑點(diǎn)不在安全工作空間范圍內(nèi)，則在當(dāng)前點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間插入一個(gè)中間過渡點(diǎn)，機(jī)器人先以點(diǎn)到點(diǎn)的插補(bǔ)方式從當(dāng)前點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到過渡點(diǎn)，在從過渡點(diǎn)以點(diǎn)到點(diǎn)的插補(bǔ)方式運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。
[0012]優(yōu)選的，所述步驟4中，在插入過渡點(diǎn)后，為了確保動(dòng)作的連續(xù)性，軌跡經(jīng)過過渡點(diǎn)時(shí)采用圓弧過渡的規(guī)劃方法
[0013]優(yōu)選的，所述步驟4中，如果插入過渡點(diǎn)后，當(dāng)前點(diǎn)到過渡點(diǎn)的路徑和過渡點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑仍然不在安全工作范圍以內(nèi)，則產(chǎn)生報(bào)警，停止動(dòng)作。
[0014]由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0015]本發(fā)明的安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，采用點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方法，首先設(shè)定安全工作空間，示教軌跡再現(xiàn)時(shí)，軌跡規(guī)劃算法可以根據(jù)空間約束條件，自動(dòng)的插入中間點(diǎn)來避開障礙，無需驗(yàn)證軌跡的干涉問題，從而很大程度上減少了示教點(diǎn)的數(shù)量，從而減輕示教工作的任務(wù)量，提高了人工示教效率，同時(shí)也避免了點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不確定的中間路徑引發(fā)的干涉問題。
【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明:
[0017]附圖1為現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑；
[0018]附圖2為現(xiàn)有技術(shù)的人工示教過程；
[0019]附圖3為本發(fā)明的安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法的過渡點(diǎn)的選擇；
[0020]附圖4為本發(fā)明的路徑點(diǎn)通過路徑示例；
[0021]其中:1、障礙物；A、當(dāng)前點(diǎn)；B、目標(biāo)點(diǎn)；C、過渡點(diǎn)；M、第一個(gè)干涉點(diǎn)；N、最后一個(gè)干涉點(diǎn)；D、中間點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面根據(jù)附圖結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023]如附圖3所述的本發(fā)明的安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，包括以下步驟:
[0024](1)設(shè)定安全空間:機(jī)器人的安裝位置以及周圍設(shè)備和環(huán)境的布局已定，通過測(cè)量或建模等方法確定機(jī)器人能夠安全工作的空間，然后使用示教器設(shè)定機(jī)器人的安全工作空間沮圍;
[0025](2)人工示教:根據(jù)機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的需求，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的示教工作；
[0026](3)干涉檢查:機(jī)器人在執(zhí)行點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)A的位姿和目標(biāo)點(diǎn)B的位姿以及運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定進(jìn)行兩點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃的過程中，機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法會(huì)判斷路徑中每一個(gè)路徑點(diǎn)是否在步驟1設(shè)定的安全工作空間范圍內(nèi)；
[0027](4)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行:如果步驟3中規(guī)劃的所有路徑點(diǎn)都在安全工作空間范圍內(nèi)，則機(jī)器人按照所規(guī)劃的路徑執(zhí)行；如果有一個(gè)路徑點(diǎn)不在安全工作空間范圍內(nèi)，則在當(dāng)前點(diǎn)A和目標(biāo)點(diǎn)B之間插入一個(gè)中間過渡點(diǎn)C，過渡點(diǎn)C選擇方式如下:經(jīng)過計(jì)算可以得到第一個(gè)干涉點(diǎn)Μ和最后一個(gè)干涉點(diǎn)Ν(注:點(diǎn)Μ、Ν、Α和Β不一定在一個(gè)平面)，根據(jù)點(diǎn)Μ和點(diǎn)Ν計(jì)算出其中間點(diǎn)D，以點(diǎn)D向當(dāng)前點(diǎn)Α和目標(biāo)點(diǎn)B的連線做垂線DC，DC的距離通過參數(shù)L來確定，從而確定了過渡點(diǎn)C的位置。機(jī)器人先以點(diǎn)到點(diǎn)的插補(bǔ)方式從當(dāng)前點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到過渡點(diǎn)C，在從過渡點(diǎn)C以點(diǎn)到點(diǎn)的插補(bǔ)方式運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)B。
[0028]在插入過渡點(diǎn)C后，為了確保動(dòng)作的連續(xù)性，軌跡經(jīng)過過渡點(diǎn)時(shí)采用圓弧過渡的規(guī)劃方法，如附圖4所示。
[0029]如果插入過渡點(diǎn)C后，當(dāng)前點(diǎn)A到過渡點(diǎn)C的路徑和過渡點(diǎn)C到目標(biāo)點(diǎn)B的路徑仍然不在安全工作范圍以內(nèi)，則產(chǎn)生報(bào)警，停止動(dòng)作。
[0030]本發(fā)明的安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，采用點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方法，首先設(shè)定安全工作空間，示教軌跡再現(xiàn)時(shí)，軌跡規(guī)劃算法可以根據(jù)空間約束條件，自動(dòng)的插入中間點(diǎn)來避開障礙，無需驗(yàn)證軌跡的干涉問題，從而很大程度上減少了示教點(diǎn)的數(shù)量，從而減輕示教工作的任務(wù)量，提高了人工示教效率，同時(shí)也避免了點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不確定的中間路徑引發(fā)的干涉問題。
[0031]上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)設(shè)定安全空間；在機(jī)器人的安裝位置以及周圍設(shè)備和環(huán)境的布局已經(jīng)確定的情況下，通過測(cè)量或建模等方法確定機(jī)器人能夠安全工作的空間，然后使用示教器設(shè)定機(jī)器人的安全工作空間范圍； (2)人工示教:根據(jù)機(jī)器人作業(yè)任務(wù)的需求，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的示教工作； (3)干涉檢查:機(jī)器人在執(zhí)行點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)的位姿和目標(biāo)點(diǎn)的位姿以及運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定進(jìn)行兩點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃的過程中，機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法會(huì)判斷路徑中每一個(gè)路徑點(diǎn)是否在步驟1設(shè)定的安全工作空間范圍內(nèi)； (4)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行:如果步驟3中規(guī)劃的所有路徑點(diǎn)都在安全工作空間范圍內(nèi)，則機(jī)器人按照所規(guī)劃的路徑執(zhí)行；如果有一個(gè)路徑點(diǎn)不在安全工作空間范圍內(nèi)，則在當(dāng)前點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間插入一個(gè)中間過渡點(diǎn)，機(jī)器人先以點(diǎn)到點(diǎn)的插補(bǔ)方式從當(dāng)前點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到過渡點(diǎn)，在從過渡點(diǎn)以點(diǎn)到點(diǎn)的插補(bǔ)方式運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，其特征在于:所述步驟4中，在插入過渡點(diǎn)后，為了確保動(dòng)作的連續(xù)性，軌跡經(jīng)過過渡點(diǎn)時(shí)采用圓弧過渡的規(guī)劃方法。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，其特征在于:所述步驟4中，如果插入過渡點(diǎn)后，當(dāng)前點(diǎn)到過渡點(diǎn)的路徑和過渡點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑仍然不在安全工作范圍以內(nèi)，則產(chǎn)生報(bào)警，停止動(dòng)作。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，屬于機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：(1)設(shè)定安全空間；(2)人工示教；(3)干涉檢查；(4)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行。本發(fā)明的安全空間約束下的多關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，很大程度上減少了示教點(diǎn)的數(shù)量，從而減輕示教工作的任務(wù)量，提高了人工示教效率，同時(shí)也避免了點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不確定的中間路徑引發(fā)的干涉問題。
【IPC分類】B25J9/16
【公開號(hào)】CN105415372
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510907699
【發(fā)明人】胡建軍, 肖文皓, 肖碩彬
【申請(qǐng)人】常州漢迪機(jī)器人科技有限公司, 江蘇中科院智能科學(xué)技術(shù)應(yīng)用研究院
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年12月9日