CN108153246B - 一种基于指定速度的参数自适应s形速度规划插补方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于指定速度的参数自适应S形速度规划插补方法,来解决运动控制过程中的速度规划插补平稳性问题。本方法一共包括6大类情形,细分为23种插补类型。本发明速度规划插补得到的速度曲线平滑,加速度曲线连续,极大提升了***运动平稳性,且能够根据指定参数,自动调整初始设定的速度或末速度,保证以指定的行走距离的精确性、此算法可以实现多参数调节,简单可靠,计算量小。
Description
【技术领域】
本发明属于机器人运动控制领域,尤其涉及一种运动控制速度规划插补方法,具体涉及一种基于指定速度的参数自适应S形速度规划插补方法。
【背景技术】
目前,依靠运动控制器(卡)与伺服驱动器通讯来实现机器人或伺服电机的运动,已经成为目前各大主流机器人、运动控制器厂商的选择,其原理是运动控制器器通过不断插补运算得到机器人/伺服电机的位置、速度、加速度数据,传送给伺服驱动器来实现电机运转,机器人运动。其中,对机器人的速度进行规划及插补,既实现能机器人平稳起停、又能节省加减速时间,一直是一个难以解决的问题。
目前,各大厂商利用的主要方法为基于梯形速度规划的插补算法,主要是插补得到的位置连续可导、速度连续、但其主要缺点是加速度不连续,存在冲击,尤其不适用于机器人高速运行环境,另一种主要方法为不可自适应或局部自适应的S形速度规划方法,可以实现平稳起停、但是其初始参数不可动态调整,导致如果设定的参数不合理,比如设定位移L较短,或者设定运行速度较大时,机器人或电机就停止运行,报错,不能够自动调整初始参数,使得作业停止,用户需要重新设置,效率和易用性相对较差。
【发明内容】
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种可靠的运动控制机器人速度规划插补方法。该方法一共包括6大类情形,细分为23种插补类型,规划算法容易编程实现,可靠快速,运动起停平稳,无冲击,具备参数自调整功能;且留有最大加速度和加加速度调整接口,用户可以根据运动***结构的强度和刚度调整最大加速度Accmax和加加速度Jerk的大小,在结构强度刚度允许的前提下,提高最大加速度和加加速度的值,达到节省加减速时间的效果。
本发明采用的技术方案如下:
第一步,根据输入的速度规划参数(Vs—初始速度,V—运行速度,Ve—终点速度,L—指定的位移量,Accmax—最大加速度,Jerk—加加速度);判断是否只存在匀速插补,如果是的话,则进入情形1,如果不存在匀速插补,则转到第二步。
第二步,计算位移L1和L2(L1—从Vs变速到V的位移量加上从V变速到Ve的位移量;L2—不经过速度V从Vs直接变速到Ve的位移量)。
第三步,判断是否存在匀速插补,即是否满足L1<L,如果满足,则存在匀速段,进入情形2,否则,不存在匀速段,进入第四步;
第四步,然后判断L1>=L且L2>L是否同时满足,如果是,则需要对最初设定的末速度Ve重新规划,得到新的终点速度Venew,进入情形3,如果否,则进入第五步。
第五步,需要对指定的运行速度V进行重新规划,得到新的运行速度Vnew,如果最初设定的运行速度V大于起始速度Vs和末速度Ve,则加速过程中能够达到的最大速度Vmax小于最初设定的运行速度V,进入情形4;否则进入第六步;
第六步,如果最初设定运行速度V小于初始速度Vs和末速度Ve,则以[V,min(Vs,Ve)]为取值区间,迭代求解得到更新的运行速度Vnew,运动过程可分为前变速段(Vs减速到Vnew)和后变速段(从Vnew增速到Ve),进入情形5;如果运行速度V介于Vs和Ve之间,则进入情形6。
其特征在于:情形内容如下:
情形1:属于插补插补类型1(全程只有匀速插补)。
情形2:判断是否存在匀加速段,如果存在匀加速段,则进入步骤2.1,否则,则进入步骤2.2。
步骤2.1:如果存在匀加速段,则接着判断是否存在存在匀减速段,如果存在匀减速段,则属于插补类型2(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--匀加速段,③--减加速段,④--匀速段,⑤--加减速段,⑥--匀减速段,⑦--减减速段);如果不存在匀减速段,则属于插补类型3(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--匀加速段,③--减加速段,④--匀速段,⑤--加减速段,⑥--减减速段);
步骤2.2:判断后续是否存在匀减速段,如果是,则属于插补类型4(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--减加速段,③--匀速段,④--加减速段,⑤--匀减速段,⑥--减减速段);如果否,则属于插补类型5(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--减加速段,③--匀速段,④--加减速段,⑤--减减速段)。
情形3:判断Vs<Venew是否满足,如果满足,进入步骤3.1,如果不满足则进入步骤3.2。
步骤3.1:判断是否存在匀加速段,如果是,则属于插补类型6(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--匀加速段,③--减加速段);如果否,则属于插补类型7(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--减加速段)。
步骤3.2:判断是否存在匀减速段,如果是,则属于插补类型8(按照插补顺序依次为,①--加减速段,②--匀减速段,③--减减速段);如果否,则属于插补类型9(按照插补顺序依次为①--加减速段,②--减减速段)。
情形4:判断Ve>Vs是否满足,如果满足,则进入步骤4.1,否则进入步骤4.2。
步骤4.1:判断是否存在匀减速段,如果是,则属于插补类型10(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--匀加速段,③--减加速段,④--加减速段,⑤--匀减速段,⑥--减减速段);如果否,则继续判断是否存在匀加速段,如果存在匀加速段,则属于插补类型11(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--匀加速段,③--减加速段,④--加减速段,⑤--减减速段);如果不存在匀加速段,则属于插补类型12(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--减加速段,③--加减速段,④--减减速段)。
步骤4.2:判断是否存在匀加速段,如果是,则属于插补类型13(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--匀加速段,③--减加速段,④--加减速段,⑤--匀减速段,⑥--减减速段);如果否,则继续判断是否存在匀减速段,如果是,则属于插补类型14(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--减加速段,③--加减速段,④--匀减速段,⑤--减减速段),如果否则属于插补类型15(按照插补顺序依次为①-加加速段,②--减加速段,③--加减速段,④--减减速段)。
情形5:判断前变速段是否存在匀减速段,如果是,则进入步骤5.1,如果否,则进入步骤5.2。
步骤5.1:判断后变速段是否存在匀加速段,如果是,则属于插补类型16(①-加减速段,②--匀减速段,③--减减速段,④--加加速段,⑤--匀加速段,⑥--减加速段);如果否,则属于插补类型17(①-加减速段,②--匀减速段,③--减减速段,④--加加速段,⑤--减加速段)
步骤5.2:判断后变速段是否存在匀加速段,如果是,则属于插补类型18(①-加减速段,②--减减速段,③--加加速段,④--匀加速段,⑤--减加速段);如果否,则属于插补类型19(①-加减速段,②--减减速段,③--加加速段,④--减加速段)。
情形6:判断是否满足Vs<Ve,如果是,进入步骤6.1;如果否,进入步骤6.2.
步骤6.1:为了节省运动时间,将匀速段以速度为Ve运行,***到变速段之后,然后判断是否存在匀加速段,如果是,则属于插补类型20(①-加加速段,②--匀加速段,③--减加速段,④--匀速段);如果否,则属于插补类型21(①-加加速段,②--减加速段,③--匀速段)。
步骤6.2:为了节省运动时间,将匀速段以速度为Vs运行,***到匀速段之间,然后判断是否存在匀减速段,如果是,则属于插补类型22(①-匀速段,②--加减速段,③--匀减速段,④--减减速段);如果否,则属于插补类型23(①-匀速段,②--加减速段,③--减减速段)。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,但并不构成对本发明的不当限定,在附图中:
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明情形1的流程示意图。
图3是本发明情形2的流程示意图。
图4是本发明情形3的流程示意图。
图5是本发明情形4的流程示意图。
图6是本发明情形5的流程示意图。
图7是本发明情形6的流程示意图。
图8是本发明插补类型2的速度插补结果图。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明,其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
首先,本发明将插补分为23种类型,具体描述如下:
插补类型1:全程匀速插补;
插补类型2:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④匀速段,⑤加减速段,⑥匀减速段,⑦减减速段;
插补类型3:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④匀速段,⑤加减速段,⑥减减速段;
插补类型4:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③匀速段,④加减速段,⑤匀减速段,⑥减减速段;
插补类型5:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③匀速段,④加减速段,⑤减减速段;
插补类型6:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段;
插补类型7:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段;
插补类型8:按照插补顺序依次为①加减速段,②匀减速段,③减减速段;
插补类型9:按照插补顺序依次为①加减速段,②减减速段;
插补类型10:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④加减速段,⑤匀减速段,⑥减减速段;
插补类型11:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④加减速段,⑤减减速段;
插补类型12:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③加减速段,④减减速段;
插补类型13:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④加减速段,⑤匀减速段,⑥减减速段;
插补类型14:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③加减速段,④匀减速段,⑤减减速段;
插补类型15:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③加减速段,④减减速段;
插补类型16:按照插补顺序依次为①加减速段,②匀减速段,③减减速段,④加加速段,⑤匀加速段,⑥减加速段;
插补类型17:按照插补顺序依次为①加减速段,②匀减速段,③减减速段,④加加速段,⑤减加速段;
插补类型18:按照插补顺序依次为①加减速段,②减减速段,③加加速段,④匀加速段,⑤减加速段;
插补类型19:按照插补顺序依次为①加减速段,②减减速段,③加加速段,④减加速段;
插补类型20:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④匀速段;
插补类型21:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③匀速段;
插补类型22:按照插补顺序依次为①匀速段,②加减速段,③匀减速段,④减减速段;
插补类型23:按照插补顺序依次为①匀速段,②加减速段,③减减速段。
上述23种插补类型,限定了速度规划时的插补结果,基于这23种插补类型,本发明提出了参数自适应的插补方法,参见附图1,其示出了本发明方法的基本流程图,具体说明如下:
(1)根据输入的速度规划参数,判断是否只存在匀速插补,如果是的话,则进入情形1,如果不是,则转到步骤(2)。
其中,所述速度规划参数包括初始速度Vs、运行速度V、终点速度Ve和指定的位移量L。
(2)计算从Vs变速到V的位移量与从V变速到Ve的位移量之和L1;计算不经过速度V从Vs直接变速到Ve的位移量L2。
(3)判断是否存在匀速插补,即是否满足L1<L,如果满足,则存在匀速段,进入情形2,如果不满足,则不存在匀速段,进入步骤(4)。
(4)判断L1≥L且L2>L是否同时满足,如果是,则对最初设定的终点速度V重新规划,得到新的终点速度Venew,进入情形3,如果不是,则进入步骤(5)。
(5)对指定的运行速度V进行重新规划,得到新的运行速度,如果最初设定的运行速度V大于初始速度Vs和终点速度Ve,则加速过程中能够达到的最大速度Vmax小于最初设定的运行速度V,进入情形4;否则进入步骤(6)。
(6)如果最初设定运行速度V小于初始速度Vs和终点速度Ve,则以[V,min(Vs,Ve)]为取值区间,迭代求解得到更新的运行速度Vnew,将运动过程分为前变速段(即Vs减速到Vnew)和后变速段(即从Vnew增速到Ve),进入情形5;如果运行速度V介于Vs和Ve之间,则进入情形6。
所述情形1-6是基于不同的具体情况,为速度规划设置不同的插补类型,具体说明如下:
情形1(参见图2):设置速度规划为插补类型1;
情形2(参见图3):判断是否存在匀加速段,如果存在,则进入步骤2.1,否则进入步骤2.2;
步骤2.1:判断是否存在匀减速段,如果存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型2;如果不存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型3;
步骤2.2:判断是否存在匀减速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型4;否则设置为插补类型5;
情形3(参见图4):判断是否满足Vs<Venew,如果满足,进入步骤3.1,如果不满足则进入步骤3.2。
步骤3.1:判断是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型6,否则设置为插补类型7;
步骤3.2:判断是否存在匀减速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型8,否则设置为插补类型9。
情形4(参见图5):判断是否满足Ve>Vs,如果满足,则进入步骤4.1,否则进入步骤4.2.
步骤4.1:判断是否存在匀减速段,如果存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型10;如果不存在匀减速段,则继续判断是否存在匀加速段,如果存在匀加速段,则设置速度规划为插补类型11;如果不存在匀加速段,则设置为插补类型12;
步骤4.2:判断是否存在匀加速段,如果存在匀加速段,则设置速度规划为插补类型13;如果不存在匀加速段,则继续判断是否存在匀减速段,如果存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型14;如果不存在匀减速段,则设置为插补类型15。
情形5(参见图6):判断前变速段是否存在匀减速段,如果存在,则进入步骤5.1,如果不存在,则进入步骤5.2。
步骤5.1:判断后变速段是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型16;否则设置为插补类型17;
步骤5.2:判断后变速段是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型18;否则设置为插补类型19。
情形6(参见图7):判断是否满足Vs<Ve,如果满足,则进入步骤6.1,如果不满足,进入步骤6.2。
步骤6.1:为了节省运动时间,设置匀速段以速度Ve运行,并***到变速段之后,然后判断是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型20;否则设置为插补类型21;
步骤6.2:为了节省运动时间,设置匀速段以速度为Vs运行,***到变速段之前,然后判断是否存在匀减速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型22;否则设置为插补类型23。
参见附图8,其示出了插补类型2,一个标准的七段式插补类型。其中S(t)、v(t)、acc(t),J(t)分别表示位置、速度、加速度、加加速度关于时间的插补结果曲线,由图8可知,位置、速度连续可调、加加速度连续、运动无冲击。
通过本发明的上述方法,一方面可以让机器人运动平稳无冲击,而且在***刚度强度允许的情况下,可以通过调大Accmax和Jerk的值,得到较小加减速时间,提高效率。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式,故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰,均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (1)
1.一种速度规划插补方法,其特征在于,该方法应用于机器人的运动控制,包括以下步骤:
(1)根据输入的速度规划参数,判断是否只存在匀速插补,如果是的话,则进入情形1,如果不是,则转到步骤(2);其中,所述速度规划参数包括初始速度Vs、运行速度V、终点速度Ve、指定的位移量L、最大加速度Accmax和加加速度Jerk;
(2)计算从Vs变速到V的位移量与从V变速到Ve的位移量之和L1;计算不经过速度V从Vs直接变速到Ve的位移量L2;
(3)判断是否存在匀速插补,即是否满足L1<L,如果满足,则存在匀速段,进入情形2,如果不满足,则不存在匀速段,进入步骤(4);
(4)判断L1≥L且L2>L是否同时满足,如果是,则对最初设定的终点速度V重新规划,得到新的终点速度Venew,进入情形3,如果不是,则进入步骤(5);
(5)对指定的运行速度V进行重新规划,得到新的运行速度,如果最初设定的运行速度V大于初始速度Vs和终点速度Ve,则加速过程中能够达到的最大速度Vmax小于最初设定的运行速度V,进入情形4;否则进入步骤(6);
(6)如果最初设定运行速度V小于初始速度Vs和终点速度Ve,则以[V,min(Vs,Ve)]为取值区间,迭代求解得到更新的运行速度Vnew,将运动过程分为前变速段(即Vs减速到Vnew)和后变速段(即从Vnew增速到Ve),进入情形5;如果运行速度V介于Vs和Ve之间,则进入情形6;
所述情形1-6是基于不同的具体情况,为速度规划设置不同的插补类型;
其中,所述情形1-6具体包括:
情形1:设置速度规划为插补类型1;
情形2:判断是否存在匀加速段,如果存在,则进入步骤2.1,否则进入步骤2.2;
步骤2.1:判断是否存在匀减速段,如果存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型2;如果不存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型3;
步骤2.2:判断是否存在匀减速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型4;否则设置为插补类型5;
情形3:判断是否满足Vs<Venew,如果满足,进入步骤3.1,如果不满足则进入步骤3.2;
步骤3.1:判断是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型6,否则设置为插补类型7;
步骤3.2:判断是否存在匀减速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型8,否则设置为插补类型9;
情形4:判断是否满足Ve>Vs,如果满足,则进入步骤4.1,否则进入步骤4.2.
步骤4.1:判断是否存在匀减速段,如果存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型10;如果不存在匀减速段,则继续判断是否存在匀加速段,如果存在匀加速段,则设置速度规划为插补类型11;如果不存在匀加速段,则设置为插补类型12;
步骤4.2:判断是否存在匀加速段,如果存在匀加速段,则设置速度规划为插补类型13;如果不存在匀加速段,则继续判断是否存在匀减速段,如果存在匀减速段,则设置速度规划为插补类型14;如果不存在匀减速段,则设置为插补类型15;
情形5:判断前变速段是否存在匀减速段,如果存在,则进入步骤5.1,如果不存在,则进入步骤5.2;
步骤5.1:判断后变速段是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型16;否则设置为插补类型17;
步骤5.2:判断后变速段是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型18;否则设置为插补类型19;
情形6:判断是否满足Vs<Ve,如果满足,则进入步骤6.1,如果不满足,进入步骤6.2;
步骤6.1:为了节省运动时间,设置匀速段以速度Ve运行,并***到变速段之后,然后判断是否存在匀加速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型20;否则设置为插补类型21;
步骤6.2:为了节省运动时间,设置匀速段以速度为Vs运行,***到变速段之前,然后判断是否存在匀减速段,如果存在,则设置速度规划为插补类型22;否则设置为插补类型23;
其中,所述插补类型1-23设置如下:
插补类型1:全程匀速插补;
插补类型2:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④匀速段,⑤加减速段,⑥匀减速段,⑦减减速段;
插补类型3:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④匀速段,⑤加减速段,⑥减减速段;
插补类型4:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③匀速段,④加减速段,⑤匀减速段,⑥减减速段;
插补类型5:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③匀速段,④加减速段,⑤减减速段;
插补类型6:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段;
插补类型7:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段;
插补类型8:按照插补顺序依次为①加减速段,②匀减速段,③减减速段;
插补类型9:按照插补顺序依次为①加减速段,②减减速段;
插补类型10:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④加减速段,⑤匀减速段,⑥减减速段;
插补类型11:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④加减速段,⑤减减速段;
插补类型12:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③加减速段,④减减速段;
插补类型13:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④加减速段,⑤匀减速段,⑥减减速段;
插补类型14:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③加减速段,④匀减速段,⑤减减速段;
插补类型15:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③加减速段,④减减速段;
插补类型16:按照插补顺序依次为①加减速段,②匀减速段,③减减速段,④加加速段,⑤匀加速段,⑥减加速段;
插补类型17:按照插补顺序依次为①加减速段,②匀减速段,③减减速段,④加加速段,⑤减加速段;
插补类型18:按照插补顺序依次为①加减速段,②减减速段,③加加速段,④匀加速段,⑤减加速段;
插补类型19:按照插补顺序依次为①加减速段,②减减速段,③加加速段,④减加速段;
插补类型20:按照插补顺序依次为①加加速段,②匀加速段,③减加速段,④匀速段;
插补类型21:按照插补顺序依次为①加加速段,②减加速段,③匀速段;
插补类型22:按照插补顺序依次为①匀速段,②加减速段,③匀减速段,④减减速段;
插补类型23:按照插补顺序依次为①匀速段,②加减速段,③减减速段。
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