CN113119111A - 机械臂及其轨迹规划方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请属于自动化领域，提出了一种机械臂及其轨迹规划方法和装置，该方法包括：确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径、各个路径点对应的关节角度；根据所述运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度；根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划，从而在满足机械臂关节的运动极限的前提下，提高关节运动速度，有利于提高机械臂的操作效率。
Description
技术领域
本申请属于自动化领域，尤其涉及机械臂及其轨迹规划方法和装置。
背景技术
在多轴机械臂的轨迹规划中，为了保证整个运动的平稳性，一般采用S形速度规划方法。该S形规划方法将整个运动过程划分为7个阶段，依次为：加速度增大的加速运动、匀加速运动、加速度减小的加速运动、匀速运动、加速度增大的减速运动、匀减速运动和加速度减小的减速运动。这种运动速度规划方法充分考虑了关节运动的加减速过程，有利于保证整个运动过程的平稳性而被广泛采用。
但是，这种轨迹规划方法需要设定期望达到的最大速度和最大加速度，以此来计算各个阶段的运动时间。由于缺少参数，目前一般通过经验或直观感觉的方式来确定。如果设定不准确，则容易超出机械臂的运动极限，或者影响机械臂的操作速度。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种机械臂的轨迹规划方法和装置，以解决现有技术中机械臂的轨迹规划容易超出机械臂的运动极限，或者影响机械臂的操作速度的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种机械臂的轨迹规划方法，所述方法包括：
确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径、各个路径点对应的关节角度；
根据所述机械臂的运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度；
根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径，包括：
确定所述机械臂运动过程中描述运动路径的标量参数，建立所述标量参数与机械避孕运动路径的对应关系。
结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第二种可能实现方式中，在建立所述标量参数与机械避孕运动路径的对应关系之后，所述方法还包括：
将所述运动路径对应的标量参数的取值归一化处理。
结合第一方面的第二种可能实现方式，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述标量参数的取值归一化处理后，所述运动路径的起点与所述标量参数中的0值对应，所述运动路径的终点与所述标量参数的1值对应。
结合第一方面，在第一方面的第四种可能实现方式中，根据所述机械臂的运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度，包括：
根据所述关节速度和关节力矩限制条件：
确定时间最短的目标函数：
确定所述关节可行的最大速度和最大加速度，其中，
和
分别表示机械臂的关节所允许的最小速度和最大速度，τmin和τmax表示机械臂关节能输出的最小力矩和最大力矩，
表示由标量参数s和标量参数s的一阶导数表示的关节速度，
表示由标量参数s及其一阶导数、二阶导数表示的关节力矩，t0为运动起点时间，te为运动结束时间。
结合第一方面，在第一方面的第五种可能实现方式中，根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划，包括：
将所述最大加速度作为S形轨迹规划中的匀加速度运动阶段和匀减速阶段的加速度，将所述最大速度作为所述S形轨迹规划中的匀速运动阶段的运动速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
结合第一方面、第一方面的第一种可能实现方式、第一方面的第二种可能实现方式、第一方面的第三种可能实现方式、第一方面的第四种可能实现方式或第一方面的第五种可能实现方式，在第一方面的第六种可能实现方式中，所述运动路径包括机械臂的各个关节的运动路径，在确定所述关节可行的最大速度和最大加速度时，分别确定各个关节所对应的最大速度和最大加速度。
本申请实施例的第二方面提供了一种机械臂的轨迹规划装置，所述装置包括：
关节数据确定单元，用于确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径、各个路径点对应的关节角度；
数据计算单元，用于根据所述机械臂的运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度；
轨迹规划单元，用于根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
本申请实施例的第三方面提供了一种机械臂，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述方法的步骤。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本申请通过确定机械臂的关节在运动过程中的运动路径确定目标函数，根据目标函数，结合预先设定的、机械臂自身的限定条件和路径点对应的关节角度，确定关节的最大速度和最大加速度，根据所确定的最大速度和最大加速度，对机械臂的轨迹进行规划和控制，从而能够使得关节在满足机械臂关节的运动极限的前提下，提高关节运动速度，有利于提高机械臂的操作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是S形速度规划曲线示意图；
图2是本申请实施例提供的一种机械臂的轨迹规划方法的实现流程示意图；
图3是本申请实施例提供的一种机械臂的轨迹规划装置的示意图；
图4是本申请实施例提供的机械臂的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
目前，对于机械臂的轨迹规划控制中，通常采用S形速度规划方法。如图1所示的S形速度规划曲线的示意图中，整个运动过程大体可以分为7个阶段，分别为：1、加速度增大的加速运动阶段、2、匀加速运动阶段、3、加速度减小的加速运动阶段、4、匀速运动阶段、5、加速度增大的减速运动阶段、6、匀减速运动阶段、7、加速度减小的减速运动阶段。这种轨迹规划方法充分考虑了关节运动的加减速过程，有效的提高了运动过程的平稳性，在轨迹规划领域中广泛应用。
当机械臂采用S形速度规划曲线进行轨迹规划时，需要设定本次运动所期望的最大速度和最大加速度，以此来计算S形速度规划曲线中的各个阶段时间。目前，通常采用经验方法，或者凭借直观感觉的方法来确定最大速度和最大加速度。如果设定的最大加速度或最大速度过高，可能会超出机械臂的运动极限而使得运动无法达到。如果设定的最大加速度或最大速度过小，则不利于发挥机械臂性能，影响机械臂的操作效率。
为了解决上述问题，本申请实施例提出了一种机械臂的轨迹规划方法，在进行机械臂的轨迹规划时，根据机械臂的运动路径、运动路径的路径点对应的关节角度，结合关节的限制条件，确定关节的最大速度和最大加速度，根据所确定的最大速度和最大加速度进行关节的轨迹规划，从而避免轨迹规划不能完成，或者不利于充分发挥机械臂性能，机械臂操作效率不高的问题。
图2为本申请实施例提供的一种机械臂的轨迹规划方法的实现流程示意图，详述如下：
在S201中，确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径、各个路径点对应的关节角度。
具体的，本申请实施例中所述的机械臂，可以为机器人的机械臂，也可以为其它自动化设备的机械臂。所述机械臂的轨迹规划，可以由机械臂中的控制模块单元完成，或者也可以接收其它控制中心的轨迹规划数据，由机械臂执行该轨迹规划数据。
所述机械臂可以为单关节机械臂，也可以为多关节机械臂。当所述机械臂为多关节机械臂时，可以根据机械臂的运动路径，确定机械臂中的每个关节所对应的运动轨迹。
在可能的实现方式中，在确定所述机械臂的操作动作进行运动规划时，对于同一操作动作，可能包括多个运动路径，对于每个运动路径，对应多个关节的运动路径。
在确定所述机械臂的运动路径时，可以建立所述机械臂的运动路径与标量参数的对应关系。即对于机械臂的运动路径中的每个路径点，可以采用标量参数来表示该路径点。从而可以通过标量参数描述运动路径中的每个路径点，便于更为便利的对路径点进行标识和处理。
其中，所述标量参数也可以称为无向量参数。
比如，可以通过标量参数s表示运动路径中的路径点。对运动路径中的路径点进行解析，可以得到各个路径点对应的关节角度。比如，可以通过公式q＝f(s)表示关节的路径点的标量参数与关节角度的对应关系。其中，q表示关节的标量参数s对应的关节角度。
在可能的实现方式中，还可以包括对标识路径点的标量参数进行归一化处理，使得不同运动路径的路径点，包括不同关节的运动路径的路径点，以及不同运动动作的关节的运动路径的路径点，可以通过归一化的参数进行表述。
在对标量参数进行归一化处理后，可以得到各个路径点对应的归一化处理后的标量参数值。比如，可以设定起点位置的路径点所对应的标量参数值为0，终点位置的路径点所对应的标量参数值为1。当然，不局限于此，也可以将起点位置对应的标量参数值设置为1，终点位置的标量参数值设置为0。
在S202中，根据所述机械臂的运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度。
在确定了运动路径后，可以根据运动路径中的路径点对应的标量参数，确定用于确定最大加速度和最大速度的目标函数。其中，该目标函数可以为：
在确定的目标函数后，结合预先确定的限制条件，包括关节速度限制条件和关节力矩限制条件等。比如，限制条件可以表示为：
其中，
和
分别表示机械臂的关节所允许的最小速度和最大速度，τmin和τmax表示机械臂关节能输出的最小力矩和最大力矩，
表示由标量参数s和标量参数s的一阶导数表示的关节速度，
表示由标量参数s及其一阶导数、二阶导数表示的关节力矩。
其中，在所述关节速度和关节力矩的表现形式，可以根据不同的模型来确定。
比如，机器人的动力学模型可以表示为：
其中，H(q)表示机器人的惯性矩阵，
表示科里奥力效应，g(q)表示重力项，τ表示关节力矩，
分别表示机器人各关节的位置、速度和加速度。
机器人末端的位姿在任务空间中可以由矢量p表示。已知运动路径上任意一点p可以由沿路径的标量位移s来表示，同时根据机器人的正运动学和关节位置q也可以表示，所以表示如下：
p(s)＝r(q) (1)
其中r(q)表示机器人的正运动学方程。式(1)分别对时间求一次和两次微分，
其中下标s和q分别表示对标量s和矢量q的一阶和二阶导数，rq可以看做机器人的雅克比矩阵，rqq可以看做矢量函数r的海塞矩阵。
将式(1)～(3)代入机器人的动力学方程中，可以计算得到
其中a(s)＝H(s)rq -1ps，
c(s)＝g(s)。
根据所述目标函数，所述限制条件，以及路径点与关节角度的对应关系，通过数值积分法，可以求解得到运动路径所对应的最大速度和最大加速度。
在S203中，根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
根据S202确定关节的最大速度和最大加速度后，即可在S形轨迹规划中，将所述最大加速度作为所述S形轨迹规则中的匀加速运动和匀减速阶段的加速度，进行速度变换控制，将所述最大速度作为匀速阶段的速度进行轨迹规划，从而使得关节能够尽可能长的时段内处于最大速度的运动阶段，有利于提高机械臂的操作效率，并且不会超出机械臂的运动极限。
在本申请实施例中，如果机械臂中包括多个关节，则可以分别确定各个关节的运动路径，根据各个关节的运动路径，分别确定各个关节对应的最大加速度和最大速度，根据所确定的各个关节的最大速度和最大加速度，分别对各个关节进行轨迹规划。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
图3为本申请实施例提供的一种机械臂的轨迹规划装置，该装置包括：
关节数据确定单元301，用于确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径、各个路径点对应的关节角度；
数据计算单元302，用于根据所述机械臂的运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度；
轨迹规划单元303，用于根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
图3所示的机械臂的轨迹规划装置，与图2所示的机械臂的轨迹规划方法对应。
图4是本申请一实施例提供的机械臂的示意图。如图4所示，该实施例的机械臂4包括：处理器40、存储器41以及存储在所述存储器41中并可在所述处理器40上运行的计算机程序42，例如机械臂的轨迹规划程序。所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述各个机械臂的轨迹规划方法实施例中的步骤。或者，所述处理器40执行所述计算机程序42时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
示例性的，所述计算机程序42可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器41中，并由所述处理器40执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序42在所述机械臂4中的执行过程。例如，所述计算机程序42可以被分割成：
所述机械臂可包括，但不仅限于，处理器40、存储器41。本领域技术人员可以理解，图4仅仅是机械臂4的示例，并不构成对机械臂4的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述机械臂还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器40可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器41可以是所述机械臂4的内部存储单元，例如机械臂4的硬盘或内存。所述存储器41也可以是所述机械臂4的外部存储设备，例如所述机械臂4上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器41还可以既包括所述机械臂4的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器41用于存储所述计算机程序以及所述机械臂所需的其他程序和数据。所述存储器41还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机械臂的轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：
确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径、各个路径点对应的关节角度；
根据所述机械臂的运动路径确定目标函数，并结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度；
根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径，包括：
确定所述机械臂运动过程中描述运动路径的标量参数，建立所述标量参数与机械臂运动路径的对应关系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在建立所述标量参数与机械臂运动路径的对应关系之后，所述方法还包括：
将所述运动路径对应的标量参数的取值归一化处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征，所述标量参数的取值归一化处理后，所述运动路径的起点与所述标量参数中的0值对应，所述运动路径的终点与所述标量参数的1值对应。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述机械臂的运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度，包括：
根据所述关节速度和关节力矩限制条件：
确定时间最短的目标函数：
确定所述关节可行的最大速度和最大加速度，其中，
和
分别表示机械臂的关节所允许的最小速度和最大速度，τmin和τmax表示机械臂关节能输出的最小力矩和最大力矩，
表示由标量参数s和标量参数s的一阶导数表示的关节速度，
表示由标量参数s及其一阶导数、二阶导数表示的关节力矩，t0为运动起点时间，te为运动结束时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所确定的可行最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划，包括：
将所述最大加速度作为S形轨迹规划中的匀加速度运动阶段和匀减速阶段的加速度，将所述最大速度作为所述S形轨迹规划中的匀速运动阶段的运动速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述运动路径包括机械臂的各个关节的运动路径，在确定所述关节可行的最大速度和最大加速度时，分别确定各个关节所对应的最大速度和最大加速度。
8.一种机械臂的轨迹规划装置，其特征在于，所述装置包括：
关节数据确定单元，用于确定机械臂运动过程所对应的所述机械臂的运动路径、各个路径点对应的关节角度；
数据计算单元，用于根据所述机械臂运动路径确定目标函数，结合机械臂自身的关节速度和关节力矩限制条件，以及路径点对应的关节角度，确定所述关节可行的最大速度和最大加速度；
轨迹规划单元，用于根据所确定的最大速度和最大加速度，对所述机械臂进行轨迹规划。
9.一种机械臂，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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