CN108453707A - 机器人拖动示教轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种机器人拖动示教轨迹生成方法，包括：接收由机器人的传感器采集的关节位置值，对该关节位置值进行滤波处理以消除高频抖动，并对滤波后的关节位置值进行差分处理，获取机器人的速度和加速度；根据生成的关节位置值、速度和加速度，采用分段直线拟合的方式来逼近用户拖动示教轨迹，计算出机器人的轨迹在笛卡尔空间中的描述；根据得到的直线段、转弯区和速度，生成描述轨迹的用户程序文件，将用户拖动的轨迹转换成文本指令，以便于对已经示教完成的轨迹进行修改优化。本发明可以提高后续生成轨迹的平滑度，拟合精度可根据实际情况自行设定，灵活度高，利用转弯区平滑过渡直线段，保证轨迹的连贯性。

Description

机器人拖动示教轨迹生成方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种机器人拖动示教轨迹生成方法。

背景技术

目前工业机器人的应用范围不断拓展，从汽车制造、电子装配、食品加工等传统应用场景，逐步渗透到消费、服务等新兴领域。这些领域对机器人的易用性、方便性提出了更高的要求。

工业机器人一般是通过示教的方式确定期望的目标点和轨迹，然后根据外界信号触发重复执行示教过的轨迹。传统的工业机器人都是通过示教器现场编程或离线编程软件离线编程的方式来获取用户程序，这需要用户具备较高的专业技能，使用门槛高，此外这种示教方式不够直观，如果用户对机器人不够熟悉，编程会耗费较长时间。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种机器人拖动示教轨迹生成方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种机器人拖动示教轨迹生成方法，包括如下步骤：

步骤S1，接收由机器人的传感器采集的关节位置值，对该关节位置值进行滤波处理以消除高频抖动，并对滤波后的关节位置值进行差分处理，获取机器人的速度和加速度；

步骤S2，根据所述步骤S1中生成的关节位置值、速度和加速度，采用分段直线拟合的方式来逼近用户拖动示教轨迹，计算出所述机器人的轨迹信息在笛卡尔空间中的描述，包括：根据所述连续的关节位置值，通过机器人正解构成连续的笛卡尔空间位置P，并通过迭代拟合得到直线段；在直线段之间构建转弯区，实现直线段之间的平滑过渡；直线段的期望速度取示教曲线上该段路径的平均速度，笛卡尔空间的速度为V(t)＝Jac(t)*J_dot(t)，其中Jac(t)为对应时刻的雅克比矩阵，J_dot(t)为步骤S1中输出的关节角速度；

步骤S3，根据所述步骤S2得到的直线段、转弯区和速度，生成描述轨迹的用户程序文件，将用户拖动的轨迹转换成文本指令，以便于对已经示教完成的轨迹进行修改优化。

进一步，在所述步骤S1中，通过安装在机器人关节或电机端的编码器，采集关节位置值。

进一步，在所述步骤S1中，采用带阻滤波器和带通滤波器结合的方式，对所述关节位置值进行滤波处理。

进一步，在所述步骤S2中，拟合得到直线段，包括如下步骤：

已知关节位置J(t)，通过机器人正解得到笛卡尔空间的位置P(t)＝FK(J(t))，通过连续的关节位置J构成连续的笛卡尔空间位置P，t为采集时间；

设直线段起点为F0，设直线段终点为F1，F1和F0均是P上的一点，F0与F1构成的直线为L，对fabs(L(t)-P(t))作积分，fabs为绝对值函数，积分结果代表了拟合直线与实际曲线之间的误差，当误差小于设定阈值时，F1为合理的直线段路径终点，通过在P上搜索合理的F1，不断迭代获取拟合直线段。

进一步，在所述步骤S2中，所述转弯区的半径根据前后直线段长度确定。

进一步，在所述步骤S3中，用户程序文件包括：MoveL P0、V100、Z20，其中P0为直线段目标位置，V100代表速度大小，Z20代表转弯区半径。

根据本发明实施例的机器人拖动示教轨迹生成方法，具有以下有益效果：

(1)通过滤波消除摩擦、人手引入的高频抖动，可以提高后续生成轨迹的平滑度；

(2)将用户拖动示教轨迹以笛卡尔空间直线形式拟合，拟合精度可根据实际情况自行设定，灵活度高；

(3)利用转弯区平滑过渡直线段，保证轨迹的连贯性；

(4)以文本指令形式保存用户轨迹，可以根据需要修改完善目标点、速度或转弯区，方便灵活。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的机器人拖动示教轨迹生成方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的直接差分原始位置数据得到的速度的示意图；

图3为根据本发明实施例的拟合直线与示教轨迹对比的示意图；

图4为根据本发明实施例的转弯区生成示意图；

图5为根据本发明实施例的机器人拖动示教轨迹生成方法的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1和图5所示，本发明实施例的机器人拖动示教轨迹生成方法，包括如下步骤:

步骤S1，接收由机器人的传感器采集的关节位置值，对该关节位置值进行滤波处理以消除高频抖动，并对滤波后的关节位置值进行差分处理，获取机器人的速度和加速度。

在本发明的一个实施例中，通过安装在机器人关节或电机端的编码器，采集关节位置值。通过对从机器人传感器获取的数据进行初步处理。传感器可以是机器人关节或电机端的编码器，获取的原始数据为关节位置值。

由于轨迹生成除了位置，还需要速度和加速度，速度和加速度一般无法直接测量得到，需要对位置做差分获取。具体的，分析实际实验数据可以发现，在低速或高速拖动时，采集到的位置存在一定的高频抖动，这种抖动在差分成速度、加速度后会更为明显，(图2是原始数据直接差分得到的速度)，如果直接利用该数据生成轨迹，在回放这样的轨迹时容易导致机器人抖动，因此在提取轨迹信息之前对数据进一步处理。

位置数据波动的来源主要有两个：一是机器人关节摩擦力的存在，摩擦力体现为非线性，可以用以下公式描述，其中fe是外力，fs是最大静摩擦，fv是粘性摩擦系数，v是相对运动速度，

由于摩擦力模型参数时变且难以确定，单纯靠摩擦补偿很难消除，摩擦的存在影响了拖动的手感，所以人手在拖动时难免存在一定的超调和震荡；另一个来源是人手拖动时的固有频率，这个同样难以回避。

为解决上述问题，本发明采用带阻滤波器和带通滤波器结合的方式，对关节位置值进行滤波处理，主要目的对原始关节位置数据做滤波，消除高频抖动，然后通过差分获取速度、加速度。滤波可以采用带阻滤波器结合带通滤波器的形式，带阻滤波器滤除人手特定频率的抖动，带通滤波器消除摩擦力导致的高频抖动，同时保留期望的轨迹信息

步骤S2，根据步骤S1中生成的关节位置值、速度和加速度，采用分段直线拟合的方式来逼近用户拖动示教轨迹，计算出机器人的轨迹信息在笛卡尔空间中的描述。

(1)根据连续的关节位置值，通过机器人正解构成连续的笛卡尔空间位置P，并通过迭代拟合得到直线段。

机器人的轨迹可以有两种表示方式，一种是关节空间，另一种是笛卡尔空间。从使用的角度看，用户期望的轨迹描述都是工件相对工件运动，因此在笛卡尔空间描述更为合理。由于用户拖动示教的轨迹可以是任意的空间曲线，因此不能用一个统一的表达式来描述。本发明采用分段直线拟合的方式来逼近用户拖动示教轨迹。

具体的，拟合得到直线段，包括如下步骤：

已知关节位置J(t)，通过机器人正解得到笛卡尔空间的位置P(t)＝FK(J(t))，连续的关节位置J可以构成连续的笛卡尔空间位置P，t为采集时间。

假设直线段起点为F0，该点可以是P上的一点，假设直线段终点为F1,该点同样是P上的一点，F0与F1构成的直线为L，对fabs(L(t)-P(t))作积分，fabs为绝对值函数，积分结果代表了拟合直线与实际曲线之间的误差，当误差小于设定阈值时，F1才是合理的直线段路径终点。通过在P上搜索合理的F1，不断迭代获取拟合直线段，如图3所示。

(2)在直线段之间构建转弯区，实现直线段之间的平滑过渡。

以上拟合的直线段只是位置连续，但是斜率存在突变，这会造成机器人运行时的不连贯。因此在直线段之间构建转弯区，转弯区半径根据前后直线段长度确定。利用转弯区实现直线段之间的平滑过渡，如图4所示。

(3)直线段的期望速度取示教曲线上该段路径的平均速度，笛卡尔空间的速度为V(t)＝Jac(t)*J_dot(t)，其中Jac(t)为对应时刻的雅克比矩阵，J_dot(t)为步骤S1中输出的关节角速度。

步骤S3，根据步骤S2得到的直线段、转弯区和速度，生成描述轨迹的用户程序文件，将用户拖动的轨迹转换成文本指令，以便于对已经示教完成的轨迹进行修改优化。

在本发明的一个实施例中，用户程序文件包括：MoveL P0、V100、Z20，其中P0为直线段目标位置，V100代表速度大小，Z20代表转弯区半径。将用户拖动的轨迹转换成一行行文本指令，可以方便地对已经示教完成的轨迹进行修改优化。

本发明实施例的机器人拖动示教轨迹生成方法，是通过手持牵引机器人到达指定的位姿或这沿特定的轨迹移动，机器人采集传感器信息，记录下目标点或轨迹数据，经过处理生成拖动示教轨迹，用户通过回放轨迹的方式复现示教轨迹。这种直观的示教方式降低了对操作人员的要求，可以大幅缩短应用部署的时间成本，提高编程效率，具有非常明显的实用性和经济价值。

根据本发明实施例的机器人拖动示教轨迹生成方法，具有以下有益效果：

(1)通过滤波消除摩擦、人手引入的高频抖动，可以提高后续生成轨迹的平滑度；

(2)将用户拖动示教轨迹以笛卡尔空间直线形式拟合，拟合精度可根据实际情况自行设定，灵活度高；

(3)利用转弯区平滑过渡直线段，保证轨迹的连贯性；

(4)以文本指令形式保存用户轨迹，可以根据需要修改完善目标点、速度或转弯区，方便灵活。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (6)

1.一种机器人拖动示教轨迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，接收由机器人的传感器采集的关节位置值，对该关节位置值进行滤波处理以消除高频抖动，并对滤波后的关节位置值进行差分处理，获取机器人的速度和加速度；

步骤S2，根据所述步骤S1中生成的关节位置值、速度和加速度，采用分段直线拟合的方式来逼近用户拖动示教轨迹，计算出所述机器人的轨迹信息在笛卡尔空间中的描述，包括：根据所述连续的关节位置值，通过机器人正解构成连续的笛卡尔空间位置P，并通过迭代拟合得到直线段；在直线段之间构建转弯区，实现直线段之间的平滑过渡；直线段的期望速度取示教曲线上该段路径的平均速度，笛卡尔空间的速度为V(t)＝Jac(t)*J_dot(t)，其中Jac(t)为对应时刻的雅克比矩阵，J_dot(t)为步骤S1中输出的关节角速度；

步骤S3，根据所述步骤S2得到的直线段、转弯区和速度，生成描述轨迹的用户程序文件，将用户拖动的轨迹转换成文本指令，以便于对已经示教完成的轨迹进行修改优化。

2.如权利要求1所述的机器人拖动示教轨迹生成方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过安装在机器人关节或电机端的编码器，采集关节位置值。

3.如权利要求1所述的机器人拖动示教轨迹生成方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用带阻滤波器和带通滤波器结合的方式，对所述关节位置值进行滤波处理。

4.如权利要求1所述的机器人拖动示教轨迹生成方法，其特征在于，在所述步骤S2中，拟合得到直线段，包括如下步骤：

已知关节位置J(t)，通过机器人正解得到笛卡尔空间的位置P(t)＝FK(J(t))，通过连续的关节位置J构成连续的笛卡尔空间位置P，t为采集时间；

设直线段起点为F0，设直线段终点为F1，F1和F0均是P上的一点，F0与F1构成的直线为L，对fabs(L(t)-P(t))作积分，fabs为绝对值函数，积分结果代表了拟合直线与实际曲线之间的误差，当误差小于设定阈值时，F1为合理的直线段路径终点，通过在P上搜索合理的F1，不断迭代获取拟合直线段。

5.如权利要求1所述的机器人拖动示教轨迹生成方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述转弯区的半径根据前后直线段长度确定。

6.如权利要求1所述的机器人拖动示教轨迹生成方法，其特征在于，在所述步骤S3中，用户程序文件包括：MoveL P0、V100、Z20，其中P0为直线段目标位置，V100代表速度大小，Z20代表转弯区半径。