專利名稱：一種重載工業(yè)機(jī)器人操作空間內(nèi)運(yùn)動軌跡規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人運(yùn)動軌跡的規(guī)劃方法，屬于機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高速重載工業(yè)機(jī)器人廣泛用于汽車制造，航空制造業(yè)，石化冶金，港口物流行業(yè)。 高速重載機(jī)器人對于提高生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)線柔性制造能力，提高工業(yè)自動化水平有著重要意義。重載機(jī)器人的運(yùn)動軌跡規(guī)劃是保證重載工業(yè)機(jī)器人高效、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。目前重載機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃存在以下兩點(diǎn)基本要求1、要生成運(yùn)動軌跡必須足夠光滑。由此運(yùn)動規(guī)劃算法需要選擇一個足夠光滑的基函數(shù)，其需要具備位置指令C2連續(xù)，速度指令Cl連續(xù)，加速度指令連續(xù)，加加速度指令有界。如果運(yùn)動規(guī)劃不夠合理(例如不可微的速度信號，不連續(xù)的加速度信號，無界的加加速度信號)，會導(dǎo)致機(jī)器人系統(tǒng)定位精度和軌跡跟蹤精度的降低，殘余振動的發(fā)生，從而使機(jī)器人性能嚴(yán)重降低，甚至損壞精密傳動部件，減少機(jī)器人的使用壽命。2、要滿足任務(wù)要求的各點(diǎn)之間所生成的運(yùn)動軌跡保證運(yùn)行時間最短，運(yùn)行能耗最小。運(yùn)行時間最小有利于生產(chǎn)效率提高、生產(chǎn)節(jié)拍的加快，降低生產(chǎn)成本。運(yùn)行能耗最小則是從降低能耗的角度對運(yùn)動規(guī)劃進(jìn)行要求，這點(diǎn)尤其在港口，冶金行業(yè)重載堆垛搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用上更為重要。對于以上要求，目前國內(nèi)外機(jī)器人及相關(guān)運(yùn)動控制系統(tǒng)所采用的類似技術(shù)存在以下問題。首先目前重載機(jī)器人和主流的運(yùn)動控制系統(tǒng)在空間多點(diǎn)樣條插補(bǔ)時無法保證在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的加速度連續(xù)，即無法保證加速度邊界為0。這點(diǎn)需要進(jìn)行改進(jìn)。其次國內(nèi)外已知公開算法皆存在不足。如針對固定路徑，Shin KG提出了時間和能耗最優(yōu)的運(yùn)動規(guī)劃算法[參見學(xué)術(shù)論文 “K. G. Shin，N. D. McKay. "Minimum-time control of robotic manipulators with geometric path constraints，，IEEE Trans Automat Control, vol. 30，pp. 531-541，Jun. 1985” 禾口 “K. G. Shin, N. D. McKay. "A Dynamic programming approach to trajectory planning of robotic manipulators" IEEE Trans Automat Control, vol. 31,pp. 491-500, Jun. 1986. “]，但是其產(chǎn)生的加速度和力矩指令是不連續(xù)的， 不能滿足上面第一點(diǎn)的要求，無法實(shí)際應(yīng)用。通過對力矩指令限幅，Constantinescu在保證光滑性的同時，提出了一種針對時間最優(yōu)的算法，但是其缺乏對能耗的考慮[參見學(xué)術(shù)論文“B. J. Martin, J. E. Bobrow. Minimum effort motions for open chain manipulators with task-dependent end-effector constraints. Int J Robot Res, vol. 18, pp. 213-224，F(xiàn)eb. 1999. ”]。Saramago and Steffen針對能耗最優(yōu)提出了相應(yīng)運(yùn)動規(guī)劃算法，其將執(zhí)行時間和能耗作為優(yōu)化目標(biāo)，但是其所得優(yōu)化結(jié)果依賴于兩個目標(biāo)各自的權(quán)重， 對權(quán)重的選取較為敏感[參見學(xué)術(shù)論文“S. F. P. Saramago, J. V. Steffen, Optimization of the trajectory planning of robot manipulators taking into account the dynamics of the system. Mech and Mach Theory, vol. 33，pp. 883—894，Oct. 1998.，，]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有重載機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃方法中在空間多點(diǎn)樣條起始點(diǎn)和終止 點(diǎn)加速度不連續(xù)的問題，沒有實(shí)現(xiàn)運(yùn)動指令光滑性；以及現(xiàn)有重載機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃沒有實(shí) 現(xiàn)時間最優(yōu)、能耗最優(yōu)兩者的最佳折衷的問題，進(jìn)而提供了一種重載エ業(yè)機(jī)器人操作空間 內(nèi)運(yùn)動軌跡規(guī)劃方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明所述的ー種重載エ業(yè)機(jī)器人操作空間內(nèi)運(yùn)動軌跡規(guī)劃方法的具體過程 為步驟A、針對空間內(nèi)多點(diǎn)采用修正的樣條函數(shù)進(jìn)行插值步驟Al、采用三次樣條曲線建立基礎(chǔ)插補(bǔ)函數(shù)，在任意兩個預(yù)設(shè)點(diǎn)之間采用三次 多項(xiàng)式進(jìn)行插補(bǔ)，基礎(chǔ)插補(bǔ)函數(shù)的表達(dá)式如下 Sj (t) = Bj+bj (t-tj) +Cj (t-tj) 2+dj (t-tj)3t G [tj, tJ+1], j = 0,1,... ,n-2(1)兩個相鄰預(yù)設(shè)點(diǎn)之間的時間間隔為比=tj+1-tj ；Bj, bj, Cj, dj為待求系數(shù)；n表示 預(yù)設(shè)點(diǎn)數(shù)量；步驟A2、同時在各預(yù)設(shè)點(diǎn)為保證連續(xù)性必須保證函數(shù)值もれ)的ー階導(dǎo)數(shù)值 S' j(t)和函數(shù)值も“)的ニ階導(dǎo)數(shù)值S" j(t)相等，即為Sj (tj) = a j, j = 0,1, . . , n-2Sn-D = an_:(2)a j表示各預(yù)設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)值；
D = &息)
'sj (む‘ = (む)ゾ=0,1,— 3(3)
觀J =《息)步驟A3、采用固定邊界條件，滿足在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)速度為0 :S' 0(t0) = 0, S' M(V1)=O(4)步驟A3、建立三次樣條整體協(xié)調(diào)方程如下H C = S(5)式中
權(quán)利要求
1. 一種重載工業(yè)機(jī)器人操作空間內(nèi)運(yùn)動軌跡規(guī)劃方法，其特征在于所述規(guī)劃方法的 具體過程為步驟A、針對空間內(nèi)多點(diǎn)采用修正的樣條函數(shù)進(jìn)行插值步驟Al、采用三次樣條曲線建立基礎(chǔ)插補(bǔ)函數(shù)，在任意兩個預(yù)設(shè)點(diǎn)之間采用三次多項(xiàng) 式進(jìn)行插補(bǔ)，基礎(chǔ)插補(bǔ)函數(shù)的表達(dá)式如下 Sj (t) = aj+bj (t-tj) +Cj (t-tj) 2+dj (t-tj) 3 t G [tj，tj+i]，j = 0，1，…，n- 兩個相鄰預(yù)設(shè)點(diǎn)之間的時間間隔為hj = tj+i-tj ；a」、bj. cj. dj為待求系數(shù)；n表示預(yù)設(shè)點(diǎn)數(shù)量；步驟42、同時在各預(yù)設(shè)點(diǎn)為保證連續(xù)性保證函數(shù)值^5」(丨)的一階導(dǎo)數(shù)值S' j(t)和函 數(shù)值的二階導(dǎo)數(shù)值S" j(t)相等，即為Sj (tj) = a J, j = 0,1, ...，n-2S -2(t -i) = a -i(2)a J表示各預(yù)設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)值；
全文摘要
一種重載工業(yè)機(jī)器人操作空間內(nèi)運(yùn)動軌跡規(guī)劃方法，它涉及一種機(jī)器人運(yùn)動軌跡的規(guī)劃方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有重載機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃方法中在空間多點(diǎn)樣條起始點(diǎn)和終止點(diǎn)加速度不連續(xù)的問題，沒有實(shí)現(xiàn)運(yùn)動指令光滑性；以及現(xiàn)有重載機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃沒有實(shí)現(xiàn)時間最優(yōu)、能耗最優(yōu)兩者的最佳折衷的問題。技術(shù)要點(diǎn)本方法通過附加項(xiàng)對傳統(tǒng)三次樣條進(jìn)行了修正。使其在整個過程中速度、加速度上均保持連續(xù)。同時綜合考慮時間和能耗最優(yōu)問題，基于動力學(xué)模型選取系統(tǒng)能耗和執(zhí)行時間作為優(yōu)化目標(biāo)，速度、轉(zhuǎn)矩、加加速度作為約束條件，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用NSGA2非支配遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化模型求解。適用于重載工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃、運(yùn)動規(guī)劃等離線計(jì)算過程。
文檔編號G05D3/00GK102298391SQ20111010731
公開日2011年12月28日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者孔民秀, 游瑋 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)