[发明专利]一种针对机器人圆弧轨迹运动的位姿同步方法和装置

说明书

本发明公开了一种针对机器人圆弧轨迹运动的位姿同步方法和装置。所述方法包括采集位姿数据、计算四元数、建立四元数姿态样条曲线、进行速度规划并获得各插补节点、计算四元数姿态和欧拉角姿态和计算合成位姿等步骤；所述装置包括用于存储程序的存储器和用于加载程序以执行本发明方法的处理器。本发明可避免难以采集机器人圆弧轨迹圆心的问题，更好地逼近加工曲面轨迹，使得机器人的姿态变化达到二阶连续，实现位姿在中间点的同步，将对姿态的规划转换为对姿态节点的规划，避免将姿态积分为角度再进行规划、再反向插值为节点的繁琐过程，并且可以避免物理量之间转换时各变量物理意义不明确的情况。本发明广泛应用于机器人自动控制技术领域。

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圆弧轨迹运动的位姿同步方法和装置。

背景技术

名词解释

示教：即轨迹规划，其主要包括以下过程：首先确定机器人完成特定工作所必须经过的关键点，即示教点，并记录各个示教点处的位置和姿态(简称为“位姿”)信息，然后确定各个示教点之间的路径类型(直线、圆弧、样条曲线和自由曲线等)，最后确定运动规律，即确定位姿、速度和加速度等与时间的对应关系，以供机器人执行。

机器人的轨迹规划对机器人运动的平稳定和高速性有重要的决定作用。机器人的轨迹规划包括位置规划和姿态规划，位置规划和姿态规划两者本身已有成熟的现有算法，如位置规划包括速度规划和插补规划；姿态规划作为独立规划时包括欧拉角表示、旋转矩阵表示和四元数表示等，由于欧拉角的奇异点和旋转矩阵的正交性，使得这两种方法在面对随机路径时难以应用，而四元数姿态具有无奇异和易于插补的特点，目前常用四元数作为姿态描述方式。

当机器人在示教点处速度不为零且要求机器人的位置和姿态在示教点处同时到达时，需要对位置和姿态进行同步规划，而位置和姿态同步规划面对的问题是无法归一变量。特别是机器人用于圆柱面和球面的加工时，需要进行圆弧轨迹的位置和姿态同步规划，还会进一步面对这一领域特有的问题，即由于机器人加工轨迹的特征点需要通过示教器采集获取，这样便难以确定圆弧轨迹的圆心位置；许多常用工艺要求在示教点处机器人执行器处于特定的姿态，在保证姿态连续的前提下还要使得姿态通过示教点姿态，且姿态到达示教点时，位置也需要同时到达示教点位置，这使得机器人的位置与姿态难以同步、姿态难以保证连续，还有可能出现奇异点。

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圆弧轨迹运动的位姿同步方法，第二目的在于提供一种针对机器人圆弧轨迹运动的位姿同步装置。

本发明所采取的第一技术方案是：

一种针对机器人圆弧轨迹运动的位姿同步方法，包括以下步骤：

S1.分别采集机器人圆弧轨迹运动的起始点、中间点和末端点的位姿数据；所述起始点、中间点和末端点为机器人工作空间中任意三个不共线的点；所述位姿数据包括位置坐标和欧拉角姿态；

S2.分别计算起始点、中间点和末端点的欧拉角姿态对应的四元数；

S3.以起始点、中间点和末端点作为控制点，根据其对应的四元数，建立四元数姿态样条曲线；

S4.对起始点、中间点和末端点所在圆弧进行速度规划，从而获得各插补节点；所述各插补节点分别对应各自的插补周期；

S5.将各插补节点代入四元数姿态样条曲线，分别计算得到各个插补周期对应的四元数姿态；

S6.将各四元数姿态分别转换成对应的欧拉角姿态；

S7.将各欧拉角姿态分别与同一插补周期中对应的位置坐标进行合成，从而得到合成位姿；

S8.根据合成位姿，计算机器人各关节在各个插补周期中对应的角度增量；所述角度增量用于控制机器人各关节。