CN108015772A - 一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令***及算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***及算法，包括工业机器人，其首先在起点工位将物品抓取；随后，沿着工位退出路径离开起点工位，再次，按照预设的输送路径将物品由起点工位送向终点工位；然后，沿着工位进入路径将物品放置在终点工位；起点工位，其在该工位放置有待抓取物品；工位退出路径，通过该路径，工业机器人带动物品离开起点工位；输送路径，其用于连接起点工位与终点工位；位进入路径，通过该路径，工业机器人将动物品放置于终点工位；终点工位，其该工位用于放置有抓取后放置的物品。

Description

一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令***及算法

技术领域

本发明涉及工业机器人运动控制，物流高速抓取与放置技术领域，具体涉及一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令***及算法。

背景技术

生产线的主要技术指标是生产率(产量)-即每分钟生产多少个产品，当机器人被用于生产线中的物料转运、分拣等工序时，主要的要求就是将物料从起点位置抓取然后在合适的时间内放置到目标地点-简单来说就是在规定的时间内移动一段空间距离-进而实现与产量匹配的往复运动节拍。而抓取和放置动作主要是由跳跃运动指令来实现的。

跳跃运动至少由三段直线运动组成：起跳、平移、下落，通常为了高速(高效)、平稳地运动还要在起跳和平移之间以及平移和下落之间各增加一段过渡圆弧。现有的机器人运动控制指令需要为每一段运动设置多个参数，包括：位置、速度、加速度(甚至加加速度)。现场应用中只有位置参数(包括起跳高度、平移距离以及下落高度)是显性已知的，而速度和加速度等参数必须根据空间距离、运动时间以及参数的高阶连续性等约束条件通过多元方程解析来得到。实际上这样复杂的运算是不可能在工程现场由应用工程师解决。

尤其当使用机器人进行高速抓取放置作业时，例如应用并联机器人(俗称蜘蛛手或‘Delta机械手’)进行每分钟100次以上的抓取放置动作，动作的效果对运动控制参数的变化及其敏感。于是给现场应用工程师极大的压力，需要花费大量的时间调整参数反复试验，现场调试效率极低。

有的解决方案为了简化参数调整往往将加加速度和加速度数值设置很大的数值-这样只调整速度参数来满足节拍的要求。但是这样做的结果又会使运动过程冲击较大，降低设备使用寿命。

发明内容

针对上述技术问题，为了简化应用工程师现场调试难度、缩短调试时间，使用实际生产的客户工程语言节拍(生产率)作为主要参数-研发一种创新的用于工业机器人的基于时间节拍的时基跳跃运动指令的算法。使用该指令只需输入显性的位置参数以及与节拍相匹配的运动时间参数，即可实现位置和节拍准确以及最小冲击的跳跃运动。

基于时间节拍的时基跳跃运动指令集及其算法

一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***，所述***包括，

工业机器人，其首先在起点工位将物品抓取；随后，沿着工位退出路径离开起点工位，再次，按照预设的输送路径将物品由起点工位送向终点工位；然后，沿着工位进入路径将物品放置在终点工位；

起点工位，其在该工位放置有待抓取物品；

工位退出路径，通过该路径，工业机器人带动物品离开起点工位；

输送路径，其用于连接起点工位与终点工位；

工位进入路径，通过该路径，工业机器人将动物品放置于终点工位；

终点工位，其该工位用于放置有抓取后放置的物品；

其中，起点工位、工位退出路径、输送路径、工位进入路径以及终点工位形成工业机器人带动物品运行的空间轨迹；

该空间轨迹为对每段路径上的n个给定点进行矢量化处理并用三次B样条曲线对该n个预给定点进行插值所生成的连续平滑的一种参数化轨迹点序列，且该空间轨迹的几何轮廓由以n个控制点为顶点的多边形控制；

在空间轨迹上的相邻的两个B样条曲线的给定点之间设置有插值点PT，其中工业机器人的处理器按照等时间间隔确定，插值点PT的数量＝(工业机器人带动物品运行在相邻的两个B样条曲线的给定点之间的轨迹运动时间/预设的插值时间间隔)-1；

当物品位置对应插值点PT位置时候，工业机器人的处理器将该插值点PT处的空间坐标位置、该插值点PT处轨迹路径的最大速度、该插值点PT处的最大加速度以及该插值点PT处的最大加加速度提供给工业机器人的伺服运动控制***。

其中，所述工位退出路径为抬起运动路径，所述输送路径为直线运动路径、圆弧运动路径或椭圆运动路径，工位进入路径为下落运动路径。

其中，工位退出路径与输送路径以及工位进入路径与输送路径分别通过工位变向路径过渡连接，工位变向路径为圆弧轨迹；

工位退出路径的末端以及输送路径的始端分别与对应的工位变向路径相切；

输送路径的末端以及工位进入路径的始端分别与对应的工位变向路径相切。

其中，所述给定点在整个路径上按五次多项式规律分布。

其中，所述插值时间间隔为该工业机器人的伺服运动控制***的最小位置环路控制周期。

一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令的算法，其基于工业机器人，包括以下步骤，

步骤一，根据工业机器人抓取物品与放置物品路径以及预设的插值时间间隔，工业机器人获得空间轨迹的路径点信息以及节拍时间；

其中，空间轨迹包括工业机器人带动物品运行的起点工位、工位退出路径、输送路径、工位进入路径以及终点工位；节拍时间为工业机器人执行单次抓取或放置任务过程中由伺服运动控制***位置环路控制周期所确定的插值时间间隔的总和；

步骤二，按步骤一中的空间轨迹要求生成路径函数表达式，并使所有给定点在整个路径长度上按五次多项式分布；计算n个给定点并将其作为B样条插值算法的输入参数；

步骤三，对步骤二中的给定点序列进行矢量化处理，计算各给定点对应的B样条基函数生成基函数矩阵，以控制点为未知向量、基函数矩阵为系数矩阵与给定点向量一起构成线性方程组，求解方程组计算出B样条曲线的控制点；

步骤四，根据预设的插值时间间隔计算各个时刻对应的三次B样条基函数，基函数与步骤三中所得的控制点一起作为输入参数计算出三次B样条曲线，生成步骤一中所述路径所对应各个时刻的轨迹点序列；其中，轨迹点的数量＝(工业机器人带动物品运行轨迹运动时间/预设的插值时间间隔)+1；

步骤五，依次计算步骤四中确定的下一个给定点位置信息，同工业机器人的处理器计算参数信息，该参数信息包括该给定点PTn+1处轨迹路径的最大速度、该插值点PTn+1处的最大加速度以及该给定点PTn+1处的最大加加速度；

步骤六，工业机器人的处理器将步骤五中的参数信息提供给工业机器人的伺服运动控制***；伺服运动控制***根据该参数信息执行对应的工作动作；

步骤七，当在步骤五中遍历步骤四中所有插值点Pn后，该段空间轨迹执行完毕，并重复步骤三执行下一段相邻的两个B样条曲线的控制点跳跃运动；直到运动到终点工位。

本发明具有如下优点：

经过现场应用实测，使用该发明所建立的指令***，可以节省相关调试时间80％以上，用户只需要几个小时至一天的时间即可实现并掌握快速稳定的抓取和放置控制。

附图说明

图1是本发明的跳跃运动轨迹示意图。

图2是本发明的优化的非等间距B样条曲线控制点集图。

图3是本发明的计算插值点位置示例图。

图4是本发明的简要控制流程图。

图5是本发明的控制流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明中，给定点是由机器人运动路径所选取的一组稀疏的位置点，这些位置点的距离间隔通常非均匀的，本发明用五次多项式对机器人几何路径的连续函数进行采样来选取给定点；

控制点是通过构造线性方程组计算得到的，且除首尾两个控制点其它控制点均不在B样条曲线上，以控制点为顶点形成的控制多边形确定了B样条曲线的几何轮廓；

轨迹点是按照特定方式对B样条曲线的连续函数表达式进行离散化处理的结果，是直接发从给伺服驱动器位置控制环的指令序列。

在本发明中，跳跃运动是机器手臂进行物料抓取和放置的基本动作过程。这一过程一般主要由三段运动连续起来实现：即从起点向上的抬起运动、横向跨越距离的空间横向移动以及垂直向下到达终点的下落运动。

空间横向移动可以是一段距离最短的直线运动，也可以是一段曲率半径非常大的圆弧运动，甚至是一段椭圆运动。

如图1所示，以直线空间横向移动为例，在抬起运动路径与空间横向移动路径之间，以及空间横向移动路径与下落运动路径之间，往往需要增加一段过渡圆弧路径，来避免在两端运动过程之中产生冲击。而此过渡圆弧是需要与其连接的两端运动路径相切的。

时基跳跃运动是指：控制机器手臂从起点开始沿着规划好的空间轨迹并且经过确定的时间长度到达终点位置。

如图2所示，在规划好空间轨迹后，可以采用多段三次B样条曲线来实现空间轨迹的拟合运行。例如要分成n段B样条曲线则需要在空间轨迹上确定出n-1个控制点。

在实际使用中，一般的机器手臂搬运过程中空间横向移动距离要远大于抬起高度、下落高度以及过渡圆弧这几段的轨迹长度，所以为了保证在轨迹两端实现准确的轨迹拟合，优选采用了五阶多项式分度法实现非等间距的优化控制点算法。

采用这种算法可以保证在轨迹的起始和结束段获得相对密集的B样条曲线控制点，进而实现路径偏差极小的直上、直下轨迹-这一点是机器手臂搬运中极为重要的工艺要求。

如图3所示，最后，按照等时间间隔，通常按照机器手臂的伺服运动控制***的最小位置环路控制周期(一般为1ms～4ms)，由B样条曲线计算出插值点的空间坐标位置，同时计算出此时轨迹路径的最大速度、最大加速度以及最大加加速度，并提供给伺服运动控制***。

在计算插值点的过程中，仍然对整个轨迹路径采用归一化的五阶多项式计算插值点之间的距离，以此保证冲击最小的轨迹控制。

插值点PT的数量＝(工业机器人带动物品运行在相邻的两个B样条曲线的控制点之间的轨迹运动时间/预设的插值时间间隔)-1；

这样即可实现时基跳跃运动-经过确定的时间长度到达终点位置。

如图4-5所述，一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***，所述***包括，

工业机器人，其首先在起点工位将物品抓取；随后，沿着工位退出路径离开起点工位，再次，按照预设的输送路径将物品由起点工位送向终点工位；然后，沿着工位进入路径将物品放置在终点工位；

起点工位，其在该工位放置有待抓取物品；

工位退出路径，通过该路径，工业机器人带动物品离开起点工位；

输送路径，其用于连接起点工位与终点工位；

工位进入路径，通过该路径，工业机器人将动物品放置于终点工位；

终点工位，其该工位用于放置有抓取后放置的物品；

其中，起点工位、工位退出路径、输送路径、工位进入路径以及终点工位形成工业机器人带动物品运行的空间轨迹；

该空间轨迹为对每段路径上的n个给定点进行矢量化处理并用三次B样条曲线对该n个预给定点进行插值所生成的连续平滑的一种参数化轨迹点序列，且该空间轨迹的几何轮廓由以n个控制点为顶点的多边形控制；

在空间轨迹上的相邻的两个B样条曲线的给定点之间设置有插值点PT，其中工业机器人的处理器按照等时间间隔确定，插值点PT的数量＝(工业机器人带动物品运行在相邻的两个B样条曲线的给定点之间的轨迹运动时间/预设的插值时间间隔)-1；

当物品位置对应插值点PT位置时候，工业机器人的处理器将该插值点PT处的空间坐标位置、该插值点PT处轨迹路径的最大速度、该插值点PT处的最大加速度以及该插值点PT处的最大加加速度提供给工业机器人的伺服运动控制***。

其中，所述工位退出路径为抬起运动路径，所述输送路径为直线运动路径、圆弧运动路径或椭圆运动路径，工位进入路径为下落运动路径。

其中，工位退出路径与输送路径以及工位进入路径与输送路径分别通过工位变向路径过渡连接，工位变向路径为圆弧轨迹；

工位退出路径的末端以及输送路径的始端分别与对应的工位变向路径相切；

输送路径的末端以及工位进入路径的始端分别与对应的工位变向路径相切。

其中，所述给定点在整个路径上按五次多项式规律分布。

其中，所述插值时间间隔为该工业机器人的伺服运动控制***的最小位置环路控制周期。

一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令的算法，其基于工业机器人，包括以下步骤，

步骤一，根据工业机器人抓取物品与放置物品路径以及预设的插值时间间隔，工业机器人获得空间轨迹的路径点信息以及节拍时间；

其中，空间轨迹包括工业机器人带动物品运行的起点工位、工位退出路径、输送路径、工位进入路径以及终点工位；节拍时间为工业机器人执行单次抓取或放置任务过程中由伺服运动控制***位置环路控制周期所确定的插值时间间隔的总和；

步骤二，按步骤一中的空间轨迹要求生成路径函数表达式，并使所有给定点在整个路径长度上按五次多项式分布；计算n个给定点并将其作为B样条插值算法的输入参数；

步骤三，对步骤二中的给定点序列进行矢量化处理，计算各给定点对应的B样条基函数生成基函数矩阵，以控制点为未知向量、基函数矩阵为系数矩阵与给定点向量一起构成线性方程组，求解方程组计算出B样条曲线的控制点；

步骤四，根据预设的插值时间间隔计算各个时刻对应的三次B样条基函数，基函数与步骤三中所得的控制点一起作为输入参数计算出三次B样条曲线，生成步骤一中所述路径所对应各个时刻的轨迹点序列；其中，轨迹点的数量＝(工业机器人带动物品运行轨迹运动时间/预设的插值时间间隔)+1；

步骤五，依次计算步骤四中确定的下一个给定点位置信息，同工业机器人的处理器计算参数信息，该参数信息包括该给定点PTn+1处轨迹路径的最大速度、该插值点PTn+1处的最大加速度以及该给定点PTn+1处的最大加加速度；

步骤六，工业机器人的处理器将步骤五中的参数信息提供给工业机器人的伺服运动控制***；伺服运动控制***根据该参数信息执行对应的工作动作；

步骤七，当在步骤五中遍历步骤四中所有插值点Pn后，该段空间轨迹执行完毕，并重复步骤三执行下一段相邻的两个B样条曲线的控制点跳跃运动；直到运动到终点工位。

本发明具有如下优点：

经过现场应用实测，使用该发明所建立的指令***，可以节省相关调试时间80％以上，用户只需要几个小时至一天的时间即可实现并掌握快速稳定的抓取和放置控制。

例如，在某调料袋装箱的机器人应用中，实现200袋/分钟的装箱控制；在某锂电池生产线中实现70个/分钟的大跨距搬运效率。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***，其特征在于，所述***包括：

工业机器人，其首先在起点工位将物品抓取；随后，沿着工位退出路径离开起点工位，再次，按照预设的输送路径将物品由起点工位送向终点工位；然后，沿着工位进入路径将物品放置在终点工位；

起点工位，其在该工位放置有待抓取物品；

工位退出路径，通过该路径，工业机器人带动物品离开起点工位；

输送路径，其用于连接起点工位与终点工位；

工位进入路径，通过该路径，工业机器人将动物品放置于终点工位；

终点工位，其该工位用于放置有抓取后放置的物品；

其中，起点工位、工位退出路径、输送路径、工位进入路径以及终点工位形成工业机器人带动物品运行的空间轨迹；

该空间轨迹为对每段路径上的n个给定点进行矢量化处理并用三次B样条曲线对该n个预给定点进行插值所生成的连续平滑的一种参数化轨迹点序列，且该空间轨迹的几何轮廓由以n个控制点为顶点的多边形控制；

在空间轨迹上的相邻的两个B样条曲线的给定点之间设置有插值点PT，其中工业机器人的处理器按照等时间间隔确定，插值点PT的数量＝(工业机器人带动物品运行在相邻的两个B样条曲线的给定点之间的轨迹运动时间/预设的插值时间间隔)-1；

当物品位置对应插值点PT位置时候，工业机器人的处理器将该插值点PT处的空间坐标位置、该插值点PT处轨迹路径的最大速度、该插值点PT处的最大加速度以及该插值点PT处的最大加加速度提供给工业机器人的伺服运动控制***。

2.根据权利要求1所述的基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***，其特征在于，所述工位退出路径为抬起运动路径，所述输送路径为直线运动路径、圆弧运动路径或椭圆运动路径，工位进入路径为下落运动路径。

3.根据权利要求1所述的基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***，其特征在于，工位退出路径与输送路径以及工位进入路径与输送路径分别通过工位变向路径过渡连接，工位变向路径为圆弧轨迹；

工位退出路径的末端以及输送路径的始端分别与对应的工位变向路径相切；

输送路径的末端以及工位进入路径的始端分别与对应的工位变向路径相切。

4.根据权利要求1所述的基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***，其特征在于，所述给定点在整个路径上按五次多项式规律分布。

5.根据权利要求1所述的基于时间节拍的时基跳跃运动指令的***，其特征在于，所述插值时间间隔为该工业机器人的伺服运动控制***的最小位置环路控制周期。

6.一种基于时间节拍的时基跳跃运动指令的算法，其特征在于，其基于工业机器人，包括以下步骤，

步骤一，根据工业机器人抓取物品与放置物品路径以及预设的插值时间间隔，工业机器人获得空间轨迹的路径点信息以及节拍时间；

其中，空间轨迹包括工业机器人带动物品运行的起点工位、工位退出路径、输送路径、工位进入路径以及终点工位；节拍时间为工业机器人执行单次抓取或放置任务过程中由伺服运动控制***位置环路控制周期所确定的插值时间间隔的总和；

步骤二，按步骤一中的空间轨迹要求生成路径函数表达式，并使所有给定点在整个路径长度上按五次多项式分布；计算n个给定点并将其作为B样条插值算法的输入参数；

步骤三，对步骤二中的给定点序列进行矢量化处理，计算各给定点对应的B样条基函数生成基函数矩阵，以控制点为未知向量、基函数矩阵为系数矩阵与给定点向量一起构成线性方程组，求解方程组计算出B样条曲线的控制点；

步骤四，根据预设的插值时间间隔计算各个时刻对应的三次B样条基函数，基函数与步骤三中所得的控制点一起作为输入参数计算出三次B样条曲线，生成步骤一中所述路径所对应各个时刻的轨迹点序列；其中，轨迹点的数量＝(工业机器人带动物品运行轨迹运动时间/预设的插值时间间隔)+1；

步骤五，依次计算步骤四中确定的下一个给定点位置信息，同工业机器人的处理器计算参数信息，该参数信息包括该给定点PTn+1处轨迹路径的最大速度、该插值点PTn+1处的最大加速度以及该给定点PTn+1处的最大加加速度；

步骤六，工业机器人的处理器将步骤五中的参数信息提供给工业机器人的伺服运动控制***；伺服运动控制***根据该参数信息执行对应的工作动作；

步骤七，当在步骤五中遍历步骤四中所有插值点Pn后，该段空间轨迹执行完毕，并重复步骤三执行下一段相邻的两个B样条曲线的控制点跳跃运动；直到运动到终点工位。