[发明专利]一种机器人平滑的时间最优轨迹规划的方法

说明书

本发明公开了一种机器人平滑的时间最优轨迹规划的方法，涉及机器人领域，能够充分发挥机器人的性能，生成的轨迹同时具体高效性和平滑性，有利于提高机器人的生产效率和产品的加工质量。本发明包括：给定机器人力矩和运动学约束；根据约束方程计算速度限制曲线；计算时间最优轨迹；从曲线上提取关键点；实用平滑的时间最优进行拟合。本发明具有简单，高效，轨迹平滑的特点，可广泛应用于机器人领域。

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人平滑的时间最优轨迹规划的方法。

背景技术

机器人在工业领域的应用越来越广泛，主要用于装配、焊接、喷涂、码垛、打磨等领域。机器人的发展推动了工业自动化的进程，大大降低了劳动力的成本，提高了生产效率。

机器人轨迹规划是机器人运动控制的基础研究，决定了操作臂的工作效率和运动性能。机器人在运动时要求操作臂末端需要按照指定的作业要求运动。此外，轨迹规划方法的优劣会直接影响操作臂的轨迹精度、运动方式和使用寿命。

目前，商用的机器人控制器的规划方式是基于机器人运动学的规划，以关节最大速度和最大加速度等运动学参数为约束条件，并以样条曲线进行拟合。该方法的优点是计算简单，但是该方法并未考虑机器人的动力学和驱动力矩特性，从而未能充分发挥机器人的性能，生成的轨迹的效率不高。

对现有相关技术进行文献检索后发现，中国专利号：CN105302147A，名称：一种串联机构轨迹规划方法。该专利将串联机器人的关节角、速度和加速度的规律通过分段的高阶多项式进行计算，并对高于最大加速度约束值的轨迹段进行加速度约束,从中获得多项式的最高阶次数,并用于修正后的轨迹。该方法由于多项式的最高阶次数不是固定的，从而影响规划曲线的平滑性。中国专利号：CN108000501A，名称：一种用于串联机器人的新型轨迹规划方法。该专利将具有6自由度的开链机器人转变为具有12自由度的闭链机器人，并使用虚拟关节来表示机器人的末端位姿,从而得到关节控制和末端空间的对应关系。在笛卡尔空间对轨迹进行B样条曲线规划，并对规划后的关节空间进行间接控制以满足最大速度、最大加速度等要求。该方法虽然很新颖，且能保证规划曲线的平滑性，但仍是一种运动学规划，并未利用机器人动力学和电机力矩特性。

因此，现有技术中缺乏一种运动轨迹规划方法,能结合动力学和电机力矩的特性,并且生成的轨迹具有高效性和平滑性。

发明内容

本发明提供一种机器人平滑的时间最优轨迹规划的方法，能够充分发挥机器人的性能，生成的轨迹同时具体高效性和平滑性，有利于提高机器人的生产效率和产品的加工质量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机器人平滑的时间最优轨迹规划的方法，包括：

S1、根据机器人的结构参数和工作空间，生成任务轨迹，标记为机器人末端轨迹曲线。

S2、结合机器人的机械臂动力学方程和机器人末端轨迹曲线，建立机器人力矩约束方程。

S3、依据机器人驱动电机的最大速度，得到机器人关节的最大速度限制，根据机器人关节的最大速度限制，得到机器人总路径速度约束，即为机器人运动学约束方程。

S4、依据机器人力矩约束方程和机器人运动学约束方程，建立时间最优化轨迹问题的目标函数。

S5、根据机器人运动学约束方程绘制速度限制曲线，结合运动学约束方程和时间最优化轨迹问题的目标函数绘制时间最优曲线；

S6、提取时间最优曲线上曲率大小排名前三的点标记为关键点，在关键点之间添加辅助点，根据关键点和辅助点，建立三次样条曲线对时间最优曲线进行拟合，得到拟合曲线。

S7、根据拟合曲线得到机器人的关节运动参数，根据关节运动参数综合得到运动轨迹。

进一步的，所述机械臂动力学方程为：