CN110948493A

CN110948493A - 机器人曲线路径生成方法、***、装置和存储介质

Info

Publication number: CN110948493A
Application number: CN201911370168.0A
Authority: CN
Inventors: 倪晓伟; 祝润泽; 黄昕
Original assignee: Guangzhou Start To Sail Industrial Robot Co; Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Start To Sail Industrial Robot Co; Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN110948493B

Abstract

本发明公开了一种机器人曲线路径生成方法、***、装置和存储介质，其中方法包括以下步骤：获取数据点，对数据点进行顺序标记；按照标记的顺序获取两个数据点组；分别对两个数据点组进行曲线拟合后，获得两条曲线；按照预设方式将获得的两条曲线进行拼接后，获得拼接曲线；按照标记的顺序获取下一组数据点，对下一组数据进行曲线拟合后，获得新的曲线，返回执行步骤S4，直至拟合完所有的数据点，获得机器人的曲线路径。本发明通过将数据点分为多段，再依次将多段曲线进行拼接，从而获得更加平滑的机器人的曲线路径，适应于已知点数量未确定或者点数量较多的自由曲线规划，具有高度可复用性，可广泛应用于机器人运动规划及控制技术领域。

Description

机器人曲线路径生成方法、***、装置和存储介质

技术领域

本发明涉及机器人运动规划及控制技术领域，尤其涉及一种机器人曲线路径生成方法、***、装置和存储介质。

背景技术

合理的进行路径规划，有利于提高机器人运动时的平稳性和高速性。自由曲线运动因其具有高柔性的特点，在非规则曲面中得到广泛应用。传统的自由曲线拟合多为一次性拟合所有已知点，从而保证曲线的连续性，该方法适用于已知点数量确定的情况，且当已知数据点数量很多时，一次性拟合所有点将耗费大量时间，不利于应用于实时机器人控制***。另一方面，一次性拟合所有已知点方法在拟合完成之后的速度规划及插补规划难以形成统一形式，因样条曲线存在曲率极值点，若不加以考虑进行曲线分段，在插补数据点时将出现明显的运动抖动，不符合机器人平稳运动要求。

名词解释：

自由曲线运动：即为样条曲线路径运动，与直线运动，圆弧运动一样，都是机器人的运动方式之一。自由曲线运动因其路径具有高阶可导特性，使得机器人在自由曲线运动中具有高柔性的优点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种自由曲线运动更加平稳的机器人曲线路径生成方法、***、装置和存储介质。

本发明所采用的第一技术方案是：

一种机器人曲线路径生成方法，包括以下步骤：

S1、获取数据点，对数据点进行顺序标记；

S2、按照标记的顺序获取两个数据点组；

S3、分别对两个数据点组进行曲线拟合后，获得两条曲线；

S4、按照预设方式将获得的两条曲线进行拼接后，获得拼接曲线；

S5、按照标记的顺序获取下一组数据点，对下一组数据进行曲线拟合后，获得新的曲线，返回执行步骤S4，直至拟合完所有的数据点，获得机器人的曲线路径。

进一步，所述步骤S2，具体为：

根据标记的顺序获取连续的n个数据点组成第一数据点组；

根据标记的顺序获取连续的n个数据点组成第二数据点组；

所述第一数据点组在顺序上先与第二数据点组，且第一数据点组与第二数据点组有m个重合的数据点，所述n和m为正整数，且满足1＜m＜n。

进一步，步骤S3中所述是曲线为三次B样条曲线，所述步骤S3，具体为：

对第一数据点组进行拟合后，获得第一B样条曲线；

对第二数据点组进行拟合后，获得第二B样条曲线。

进一步，所述步骤S4，具体为：

在第一B样条曲线中获取第一数据点的一二阶导数，在第二B样条曲线中获取第二数据点的一二阶导数，所述第一数据点为两曲线的第一个重合的数据点，所述第二数据点为第二 B样条曲线中的最后一个数据点；

确定并保持第一个重合的数据点之前的曲线不变；

根据获得的一二阶导数对第二数据点组中的数据点进行重新拟合后，获得拼接曲线；

所述拼接曲线中第n-m+1个点的一二阶导数与第一数据点的一二阶导数相等，所述拼接曲线中最后一个点的一二阶导数与第二数据点的一二阶导数相等，所述一二阶导数为一阶导数和二阶导数。

进一步，所述根据获得的一二阶导数对第二数据点组中的数据点进行重新拟合后，获得拼接曲线这一步骤，具体为：

在第二数据点组中相邻两个数据点之间增加一个新的数据点，获得2n-1个数据点；

获取基于该2n-1个数据点对应的曲线的节点矢量和控制点；

结合获得的一二阶导数、节点矢量和控制点对第二数据点组中的数据点进行重新拟合后，获得拼接曲线。

进一步，所述步骤S5，具体为：

S51、根据标记的顺序获取连续的n个数据点组成第三数据点组，所述第三数据点组与上一个数据点组有m个重合的数据点；

S52、对第三数据点组进行拟合后，获得第三B样条曲线；

S53、按照预设方式将拼接曲线与第三B样条曲线进行拼接后，获得新的拼接曲线；

S54、检测是否存有未拟合的数据点，若存有，返回执行步骤S51；反之，将新的拼接曲线作为机器人曲线路径。

进一步，所述n为3，所述m为2。

本发明所采用的第二技术方案是：

一种机器人曲线路径生成***，包括：

标记模块，用于获取数据点，对数据点进行顺序标记；

组获取模块，用于按照标记的顺序获取两个数据点组；

拟合模块，用于分别对两个数据点组进行曲线拟合后，获得两条曲线；

拼接模块，用于按照预设方式将获得的两条曲线进行拼接后，获得拼接曲线；

继续拟合模块，用于按照标记的顺序获取下一组数据点，对下一组数据进行曲线拟合后，获得新的曲线，返回拼接模块执行，直至拟合完所有的数据点，获得机器人的曲线路径。

本发明所采用的第三技术方案是：

一种机器人曲线路径生成装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。

本发明所采用的第四技术方案是：

一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本发明的有益效果是：本发明通过将数据点分为多段，再依次将多段曲线进行拼接，从而获得更加平滑的机器人的曲线路径，适应于已知点数量未确定或者点数量较多的自由曲线规划，当采集到新的数据点，在已拟合的曲线末端与新的数据点进行拟合拼接即可，具有高度可复用性。

附图说明

图1是实施例中一种机器人曲线路径生成方法的步骤流程图；

图2是实施例中第k次拼接曲线流程图；

图3是实施例中由三个数据点确定的三次B样条曲线路径的示意图；

图4是实施例中第1次拼接的自由曲线路径的示意图；

图5是实施例中拼接自由曲线随节点矢量u4值变化的示意图；

图6是图4拼接路径增加一个数据点后的拼接自由曲线路径示意图；

图7是拼接路径增加多个数据点后的拼接自由曲线路径示意图；

图8是基于图7的拼接自由曲线的一阶导数的示意图；

图9是基于图7的拼接自由曲线的二阶导数的示意图；

图10是具体实施例中第1次拼接曲线流程图；

图11是是实施例中一种机器人曲线路径生成***的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供了一种机器人曲线路径生成方法，包括以下步骤：

S101、获取数据点，对数据点进行顺序标记。

所述数据点为空间坐标(X，Y，Z)，为机器人需要经过的坐标，该数据点可从数据库中导入，获得多个数据点，当获得的数据点少于3个时，不符合本实施例的方法。对获得的数据点进行标记，具体地，采用1，2，3，…，n正序标记所有数据点。

S102、按照标记的顺序获取两个数据点组。

按照标记的顺序获取三个或三个以上的数据点组成一个数据点组，比如固定由3个数据点组成一个数据点组，或者4个数据点组成一个数据点组，具体数据点组的个数可由用户设置，在此不赘述。在本实施例中，具体采用步骤S1021-S1022的方式获取数据点组：

S1021、根据标记的顺序获取连续的n个数据点组成第一数据点组；

S1022、根据标记的顺序获取连续的n个数据点组成第二数据点组；

其中，所述第一数据点组在顺序上先与第二数据点组，且第一数据点组与第二数据点组有m个重合的数据点，所述n和m为正整数，且满足1＜m＜n。

比如，当第一数据点组包括数据点1-2-3，第二数据点组包括数据点2-3-4，接下来还有 3-4-5，…，n-2-n-1-n等n-2个数据点组，通过数据点组将曲线路径上的数据点分为n-2段路径。所述n可以为确定的数值，也可以为不确定的数值，当需要增加新的数据点时，继续增加新的数据点组即可，无需改动之前的数据点，如此使曲线路径拟合更具有灵活性。

S103、分别对两个数据点组进行曲线拟合后，获得两条曲线。

对获得的数据点组进行拟合，获得两条曲线，其中使用到的拟合算法可采用现有的算法，比如最小二乘法、三次曲线拟合算法或基于RBF曲线拟合算法等。具体地，本实施例中，采用三次B样条曲线算法进行拟合，具体地，取得数据点组后，分别采用抛物线边界的三次B 样条曲线拟合数据点得到2段自由曲线，具体步骤如下：

S1031、对第一数据点组进行拟合后，获得第一B样条曲线；

S1032、对第二数据点组进行拟合后，获得第二B样条曲线。

如图4所示，由两个数据点组确定了两条三次B样条曲线，从图中可看出，现在两条曲线是独立的，并没有进行平滑的拼接。

S104、按照预设方式将获得的两条曲线进行拼接后，获得拼接曲线。

在本实施例中，为平滑地将两条曲线拼接在一起，设置了一些要求，即拼接曲线中第 n-m+1个点的一二阶导数与第一数据点的一二阶导数相等，所述拼接曲线中最后一个点的一二阶导数与第二数据点的一二阶导数相等，所述一二阶导数为一阶导数和二阶导数。具体地拼接步骤如步骤S1041-S1043：

S1041、在第一B样条曲线中获取第一数据点的一二阶导数，在第二B样条曲线中获取第二数据点的一二阶导数，所述第一数据点为两曲线的第一个重合的数据点，所述第二数据点为第二B样条曲线中的最后一个数据点；

S1042、确定并保持第一个重合的数据点之前的曲线不变；

S1043、根据获得的一二阶导数对第二数据点组中的数据点进行重新拟合后，获得拼接曲线。

在拼接过程中，第一数据点和第二数据点作为为拼接自由曲线的首末数据点，为满足拼接曲线在拼接点处的二阶连续，需增加若干个数据点，最后由原有的数据点和新增加的数据点决定每段拼接路径。

其中，步骤S1043具体包括步骤S10431-S10433：

S10431、在第二数据点组中相邻两个数据点之间增加一个新的数据点，获得2n-1个数据点；

S10432、获取基于该2n-1个数据点对应的曲线的节点矢量和控制点；

S10433、结合获得的一二阶导数、节点矢量和控制点对第二数据点组中的数据点进行重新拟合后，获得拼接曲线。

由于曲线为三次B样条曲线，则根据曲线中数据点的个数，可确定控制点的数量以及节点矢量的数量。再计算每个节点矢量后，结合节点矢量和一二阶导数可确定拼接的自由曲线的控制点，以及最终的曲线。

S105、按照标记的顺序获取下一组数据点，对下一组数据进行曲线拟合后，获得新的曲线，返回执行步骤S104，直至拟合完所有的数据点，获得机器人的曲线路径。

对第一B样条曲线和第一B样条曲线进行拟合后，继续获取下一个数据点组，比如获取第三个数据点组3-4-5，对第三个数据点组进行曲线拟合后，再与之前的拼接曲线进行拟合，得到新的拼接曲线。继续拟合，直到拟合完所有的数据点后，获得机器人的曲线路径。

由上可知，上述方法在拼接完成时，所得曲线仍是一条三次B样条曲线，样条曲线路径经过所有数据点，且路径上处处达到二阶连续。采用分段式拼接，适应于已知点数量未确定的自由曲线规划，仅当采集到新的数据点，在已拟合的曲线末端与新的数据点进行拟合拼接即可。本发明具有高度可复用性，适用于分段式编程设计，以及实时机器人控制***。本实施例的方法具体可应用于机器人鞋底涂胶路径自动化生成，或机器人工件焊机路径自动化生成等。

具体实施例

以下结合图2-图10对上述方法进行详细解释说明：

参照图2和图10，一种机器人曲线路径生成方法，包括以下步骤：

S1：采集不少于三个自由曲线空间数据点，所述空间数据点的每三个连续点不共线，相邻点不为重点，所述数据点为三维空间坐标(X，Y，Z)；

S2：以1，2，3，…，n正序标记所有采集的数据点；

S3：按1-2-3，2-3-4，3-4-5，…，n-2-n-1-n顺序将数据点分为n-2段路径，每段路径为三个数据点所决定的抛物线边界的三次B样条曲线；

S4：数据点数为n时，拼接规划需执行n-3次，包括S2-S9步骤：

S5：第1次拼接时，取数据点为1-2-3，2-3-4的样条曲线进行拼接，分别采用抛物线边界的三次B样条曲线拟合数据点得到2段自由曲线，如图3所示；

S6：拼接时，第1段自由曲线保留数据点1、2中间的部分曲线，拼接点为数据点2、3、4，拼接路径满足条件：拼接路径为样条曲线，在点2处一二阶导数与1-2-3路径在点2处的一二阶导数一致，在点4处一二阶导数与2-3-4路径在点4处的一二阶导数一致；

S7：拼接时，拼接点作为拼接自由曲线的首末数据点，为满足拼接曲线在拼接点处的二阶连续，需增加2个数据点，则每段拼接路径由5个数据点决定；

S8：计算拼接自由曲线节点矢量。根据三次B样条曲线特征，n个数据点有n+6个节点矢量，则5个数据点的自由曲线，其节点数量为11个。其中，数据点2、3、4的矢量分布由累积弦长法确定，增加的2个数据点的节点矢量则根据实际应用需求从点3的矢量值分别向左和向右偏移，结果在数据点2、3和3、4的节点矢量值之间；首末端各具4重节点，即 u₀＝u₁＝u₂＝u₃＝0及u₇＝u₈＝u₉＝u₁₀＝1。求得节点矢量序列为：{u₀,u₁,u₂,...,u₈,u₉,u₁₀}。

S9：求拼接曲线控制点。根据三次B样条曲线特征，n个数据点有n+2个控制点，则5个数据点的自由曲线，其控制点数为7个。其中，数据点2为控制点1，数据点4为控制点7；对三次B样条曲线通用公式求一二阶方程，分别计算节点u₄，u₆的一二阶B样条基，将求得的B样条基的一阶导数及控制点1、7分别代入B样条的一阶方程，求得控制点2和6；将B 样条基的二阶导数及控制点1和2、6和7分别代入B样条的二阶方程，求得控制点3和5；将控制点3和5及数据点3代入B样条方程，求得控制点4；所得控制点序列为： {P₀,P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆}

S10：第1次拼接完成，得到拼接自由曲线BS₁，如图4所示。

S11：第k次拼接时，拼接路径为第k-1次拼接完成的自由曲线BS_k-1和数据点k+1-k+2-k+3 确定的自由曲线。具体的拼接流程为步骤S5-S9。如图6所示，为第2次拼接后的自由曲线；如图7所示，为第5次拼接后的自由曲线。

其中，步骤S1中，所述数据点可以为使用视觉采集鞋底路径所要经过的点位，所采集点位数量不少于3个，且相邻三点不共线，相邻两点不为重点。

步骤S2将S1采集的点位进行编号，通过正序标记得到已知数据点序列： C＝{C₁,C₂,C₃,...,C_n}。

步骤S3将S2中编排好的已知数据点进行分段，如图3所示，每相邻三个数据点单独拟合成一个三次B样条自由曲线，每相邻两个自由曲线具有两个交叉点位，n个数据点将被分成n-2段三次B样条自由曲线路径。

步骤S5中，首先进行第1次拼接，从S3步骤拟合的三次B样条自由曲线中取出第1和第2条进行拼接，如图4所示，拼接点为2、3、4三个数据点，保留1-2-3自由曲线的点1、 2间的路径。

步骤S6中，确定拼接曲线首末端的边界条件。分别计算图4中自由曲线1-2-3在点C₂处和自由曲线2-3-4在点C₄处的一二阶导数，目的的是保证拼接点处的二阶连续。拼接自由曲线的首末端的一二阶将与点C₂和C₄的一二阶导数一致。计算一二阶导数是采用以下方程：

其中，k＝0,1,2，P_k为三次B样条曲线控制点，B_i'(u_k+3)，B_i”(u_k+3)分别为三次B样条基的一二阶导数。

为保证边界的一二阶导数与已知值相等，需要在首末端各增加一个数据点，即拼接自由曲线将通过5个数据点，其中三个为已知数据点C₂,C₃,C₄，另外两个需要在后续步骤中计算。

步骤S8中，确定拼接自由曲线的节点矢量。S6步骤中确定拼接自由曲线经过5个数据点，则该拼接自由曲线由7个控制点确定，节点矢量为11个，节点矢量在拼接曲线首末端具有4重复度，即u₀＝u₁＝u₂＝u₃＝0及u₇＝u₈＝u₉＝u₁₀＝1，由于存在两个未知数据点，因此无法直接采用累积弦长公式计算剩余的3个节点值，而由于首末数据点和中间数据点已知，则可采用累积弦长公式计算u₅：

其中，l₁、l₂分别为相邻数据点的距离；u₄，u₆则根据应用需求从u₅值进行偏移，实际节点矢量序列为：

其中，Δ₁、Δ₂为偏移值，且满足：

如图5 所示，当u₄为不同值时，获得不同的拼接曲线。

步骤S9中，确定拼接自由曲线控制点。为保证拼接自由曲线起始点和末端点与已知数据点重合，即将首末数据点作为控制点。剩余5个控制点需由5个方程求出：

其中，C₁'(u_mid),C₁”(u_mid)和C₂'(u_end),C₂”(u_end)分别为步骤S6计算得到第1、2段原路径在拼接点处的一二阶导数，其中u_mid为第1段原始路径中间节点矢量值，u_end为第二段原始路径末端节点矢量值。式1、2、3、4为边界条件方程，即确定了拼接自由曲线首末端处的一二阶导数值。式5保证了拼接曲线经过数据点C₃。

步骤S10中，完成了第一次自由曲线拼接，该拼接自由曲线将在后续拼接中作为拼接的第一段路径。

步骤S11中，进行第k次拼接，拼接路径分别为第k-1次拼接完成的自由曲线BS_k-1和数据点k+1-k+2-k+3确定的自由曲线，拼接流程为S5-S9，如图2所示。

最终拼接效果如图7所示，所示拼接路径经过采集的8个数据点，从图8的一阶导数曲线图和图9的二阶导数图可以看出，拼接自由曲线处处达到二阶连续。

由上可知，每次曲线拼接时，均只要拟合后三个数据点即可，比如第一次拼接时，拟合点2-3-4，曲线1-2保持不变。第二次拟合时，拟合点3-4-5，曲线1-2-3保持不变。第三次拟合时，拟合点4-5-6，曲线1-2-3-4保持不变。如此，当增加新的数据点时，只需进行多一次拟合步骤即可，无需对所所有的数据点重新进行拟合，极大地提高了路径生成方法的灵活性和复用性，适用于分段式编程设计，以及实时机器人控制***。

如图11所示，本实施例还提供了一种机器人曲线路径生成***，包括：

标记模块，用于获取数据点，对数据点进行顺序标记；

组获取模块，用于按照标记的顺序获取两个数据点组；

本实施例的一种机器人曲线路径生成***，可执行本发明方法实施例所提供的一种机器人曲线路径生成方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供了一种机器人曲线路径生成装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

本实施例的一种机器人曲线路径生成装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种机器人曲线路径生成方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

本实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

本实施例的一种存储介质，可执行本发明方法实施例所提供的一种机器人曲线路径生成方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种机器人曲线路径生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取数据点，对数据点进行顺序标记；

S2、按照标记的顺序获取两个数据点组；

S3、分别对两个数据点组进行曲线拟合后，获得两条曲线；

2.根据权利要求1所述的一种机器人曲线路径生成方法，其特征在于，所述步骤S2，具体为：

根据标记的顺序获取连续的n个数据点组成第一数据点组；

根据标记的顺序获取连续的n个数据点组成第二数据点组；

3.根据权利要求2所述的一种机器人曲线路径生成方法，其特征在于，步骤S3中所述是曲线为三次B样条曲线，所述步骤S3，具体为：

对第一数据点组进行拟合后，获得第一B样条曲线；

对第二数据点组进行拟合后，获得第二B样条曲线。

4.根据权利要求3所述的一种机器人曲线路径生成方法，其特征在于，所述步骤S4，具体为：

在第一B样条曲线中获取第一数据点的一二阶导数，在第二B样条曲线中获取第二数据点的一二阶导数，所述第一数据点为两曲线的第一个重合的数据点，所述第二数据点为第二B样条曲线中的最后一个数据点；

确定并保持第一个重合的数据点之前的曲线不变；

5.根据权利要求4所述的一种机器人曲线路径生成方法，其特征在于，所述根据获得的一二阶导数对第二数据点组中的数据点进行重新拟合后，获得拼接曲线这一步骤，具体为：在第二数据点组中相邻两个数据点之间增加一个新的数据点，获得2n-1个数据点；

获取基于该2n-1个数据点对应的曲线的节点矢量和控制点；

6.根据权利要求4所述的一种机器人曲线路径生成方法，其特征在于，所述步骤S5，具体为：

S52、对第三数据点组进行拟合后，获得第三B样条曲线；

7.根据权利要求2-6任一项所述的一种机器人曲线路径生成方法，其特征在于，所述n为3，所述m为2。

8.一种机器人曲线路径生成***，其特征在于，包括：

标记模块，用于获取数据点，对数据点进行顺序标记；

组获取模块，用于按照标记的顺序获取两个数据点组；

9.一种机器人曲线路径生成装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-7任一项所述的一种机器人曲线路径生成方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述方法。