CN113246133A - 机械臂多关节的旋转指令计算方法、旋转控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂多关节的旋转指令的计算方法、旋转的控制方法及***。通过获取子节点的相对坐标旋转指令，然后根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转。由于子节点的相对坐标旋转指令是该子节点相对于父节点的相对坐标旋转指令，因此，不需要计算该子节点相对于根节点的旋转角度，进而减少了子节点旋转角度的计算量，相对于现有技术，本发明只需要计算子节点相对于父节点的旋转角度，能提高子节点的计算速度，并有效提高子节点的计算效率。

Description

机械臂多关节的旋转指令计算方法、旋转控制方法及***

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，特别涉及一种机械臂多关节的旋转指令的计算方法、旋转的控制方法及***。

背景技术

机械臂是高精度，多输入多输出，具有独特的操作灵活性的复杂***。已在工业装配，安全防爆等领域得到广泛应用。机械臂是由5个连接的关节组成的，第一个连杆是机械臂的基础，一般是固定的，每个关节都具有特定的自由度，包括旋转的X、Y和Z轴的三个自由度。

在机械臂转动时，父节点旋转之后，相当于子节点也做了一定的旋转。当子节点需要旋转时，按世界坐标原则，子节点的旋转需要减去之前的旋转量。举个例子就是，父节点先围绕X轴旋转了30°，当需要子节点在世界坐标系下与X轴的夹角是90°时，子节点需要旋转的角度是60°(90°-30°)，因为子节点已经跟随其父节点旋转过30°了。

但是，当子节点有好几级父节点的时，父节点转动后，其其子节点需要转动的角度计算量就会显得庞大。因此，现有的子节点计算方式成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机械臂多关节的旋转指令的计算方法、旋转的控制方法及***，以解决现有子节点计算方式所带来的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明第一方面公开了一种机械臂多关节的旋转控制方法，包括：

获取子节点的相对坐标旋转指令；

根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转。

优选的，所述相对坐标旋转指令包括：所述子节点相对其第一级父节点的旋转方向和旋转角度；

所述根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转，包括：

根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点相对其第一级父节点旋转。

优选的，还包括：

生成子节点的相对坐标旋转指令。

优选的，所述生成子节点的相对坐标旋转指令，包括：

按照机械臂的结构和分解各个关节点，得到父子层级关系；

实时获取各关节的旋转数据；

解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令。

优选的，所述实时获取各关节的旋转数据，包括：

通讯获取仿真平台的运动数据和机械臂实物端的旋转角度；

基于仿真工程的实时驱动。

优选的，所述通讯获取仿真平台和机械臂实物端的旋转角度，包括：

通过TCP模块由仿真平台传输用于建模的运动数据；

实时从机械臂各关节的电机中读取每个关节的实际旋转角度。

优选的，所述基于仿真工程的实时驱动，包括：

基于由所述仿真平台的运动数据，驱动3D模型对应组件的动作，实现虚拟场景下的3D可视化。

优选的，所述解析旋转数据，包括：

将旋转数据按照键值对的规则，按照键名实时存储对应的值。

本发明第二方面公开了一种机械臂多关节的旋转指令计算方法，包括：

按照机械臂的结构分解各个关节点，得到父子层级关系；

实时获取各关节的旋转数据；

解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令。

本发明第三方面公开了一种机械臂多关节的旋转控制***，包括：仿真平台和视景端；

所述仿真平台用于给所述视景端传输用于建模的运动数据；

所述视景端用于获取机械臂实物端的旋转角度，和生成子节点的相对坐标旋转指令。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的一种机械臂多关节的旋转指令的计算方法、旋转的控制方法及***。通过获取子节点的相对坐标旋转指令，然后根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转，由于子节点的相对坐标旋转指令是该子节点相对于父节点的相对坐标旋转指令，因此，不需要计算该子节点相对于根节点的旋转角度，进而减少了子节点旋转角度的计算量，相对于现有技术，本发明只需要计算子节点相对于父节点的旋转角度，能提高子节点的计算速度，并有效提高子节点的计算效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种机械臂多关节的旋转控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的生成子节点的相对坐标旋转指令的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的实时获取各关节的旋转数据的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的通讯获取仿真平台和机械臂实物端的旋转角度的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种机械臂多关节的旋转指令计算方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的一种机械臂多关节的旋转控制***的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的机械臂的控制示意图；

图8为本发明实施例提供的TCP通讯示意图；

图9为本发明实施例提供的视景端驱动原理图；

图10为本发明实施例提供的基于仿真工程的通讯流程图；

图11为本发明实施例提供的接收数据源码的示意图；

图12为本发明实施例提供的数据接收与应用的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明为了解决现有子节点计算方式所带来的问题，提供了一种机械臂多关节的旋转指令的计算方法、旋转的控制方法及***，所述机械臂多关节的旋转控制***由仿真平台和视景端组成，通过所述仿真平台给所述视景端传输用于建模的运动数据；所述视景端获取机械臂实物端的旋转角度，和生成子节点的相对坐标旋转指令。通过本申请公开的机械臂多关节的旋转控制方法及***，可简化子节点的旋转角度和方向的计算。其子节点的旋转角度和方向的计算过程可通过以下实施例实现。

本发明实施例提供一种机械臂多关节的旋转控制方法，参见图1，图1为机械臂多关节的旋转控制方法的流程示意图，所述机械臂多关节的旋转控制方法至少包括如下步骤：

S101、获取子节点的相对坐标旋转指令。

需要说明的是，所述子节点的相对坐标旋转指令是指该子节点相对于父节点的相对坐标旋转指令，所述相对坐标旋转指令中包括其子节点的旋转角度和方向。

S102、根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转。

需要说明的是，通过获取子节点的相对坐标旋转指令，然后根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转，由于子节点的相对坐标旋转指令是该子节点相对于父节点的相对坐标旋转指令，因此，不需要计算该子节点相对于根节点的旋转角度，进而减少了子节点旋转角度的计算量，相对于现有技术，本发明只需要计算子节点相对于父节点的旋转角度，能提高子节点的计算速度，并有效提高子节点的计算效率。

如图1所示，首先主控计算机通过CAN通讯(控制器局域网络)将机械臂各关节的相对坐标(相对于其父物体在X、Y和Z轴上的旋转量)传输给机械臂实物，机械臂实物通过内置算法模块会做相应的旋转动作。

具体的，所述相对坐标旋转指令为所述子节点相对其第一级父节点的旋转方向和旋转角度，而在执行步骤S102过程中，步骤S102的具体执行过程包括：

根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点相对其第一级父节点旋转。

需要说明的是，由于相对坐标旋转指令为所述子节点相对其第一级父节点的旋转方向和旋转角度，因此，在根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点相对其第一级父节点旋转时，子节点只需要根据其第一级父节点的旋转方向和旋转角度进行旋转，不需要过多计算该子节点与除第一级父节点的角度，故而减少计算机的计算量，有效提高机械臂的转动效率。

进一步，所述机械臂多关节的旋转控制方法，还包括：

S10、生成子节点的相对坐标旋转指令。

需要说明的是，通过生成子节点的相对坐标旋转指令，即生成该子节点相对于其父节点的相对坐标旋转指令，相对于现有技术的根节点的坐标旋转指令，有效减少了其子节点旋转角度计算，进而提高了子节点旋转角度计算速度和效率。

具体的，参考图2，在执行步骤S010过程中，所述生成子节点的相对坐标旋转指令的执行过程至少包括以下步骤：

S201、按照机械臂的结构和分解各个关节点，得到父子层级关系。

S202、实时获取各关节的旋转数据。

S203、解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令。

需要说明的是，按照机械臂的结构和分解各个关节点，能够得到父子层级关系；然后实时获取各关节的旋转数据；最后解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令，由于各关节的旋转数据是实时获取的，因此将解析后的旋转数据实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，就能够生成子节点的相对坐标旋转指令，子节点在接收到对应的相对坐标旋转指令后，子节点不需要通过计算，就可以直接旋转，有效提高子节点的旋转效率。

具体的，参考图3，在执行步骤S202过程中，所述实时获取各关节的旋转数据的执行过程至少包括以下步骤：

S301、通讯获取仿真平台的运动数据和机械臂实物端的旋转角度。

S302、基于仿真工程的实时驱动。

需要说明的是，通过通讯获取仿真平台的运动数据和机械臂实物端的旋转角度，然后基于仿真工程的实时驱动，就可以获取各关节的旋转数据。

进一步，参考图4，在执行步骤S301过程中，所述通讯获取仿真平台和机械臂实物端的旋转角度的具体执行过程至少包括以下步骤：

S401、通过TCP模块由仿真平台传输用于建模的运动数据。

S402、实时从机械臂各关节的电机中读取每个关节的实际旋转角度。

需要说明的是，通过TCP模块由仿真平台传输用于建模的运动数据，实时从机械臂各关节的电机中读取每个关节的实际旋转角度，然后可以将实际旋转角度发送给视景端，因为视景端是纯数字旋转不存在延迟，所以这样就可以保持机械臂实物端与视景端中各个关节的旋转角度一致。在视景显示***中，整个机械臂也是分为同样的几个部分来分别控制的，具体过程详见下文。

进一步，在执行步骤S302过程中，所述基于仿真工程的实时驱动的具体执行过程至少包括以下步骤：

基于由所述仿真平台的运动数据，驱动3D模型对应组件的动作，实现虚拟场景下的3D可视化。在本实施例中，视景部分是Unity3D软件制作，仿真部分是GCAir仿真平台。

需要说明的是，本方案通过使机械臂可视化并运动，以此得到各个子节点相对其第一级父节点的相对旋转数据，而不是固定得到一个根节点，区别于现有技术以世界坐标形式的计算过程，处理过程更高效。进一步，在执行步骤S203过程中，所述解析旋转数据的具体执行过程为：

将旋转数据按照键值对的规则，按照键名实时存储对应的值。

需要说明的是，所述键值对也称名值对，数据模型可以表示为元组的集合<name，value>，每个元素都是键值对，将旋转数据按照键值对的规则，按照键名实时存储对应的值后，在数据接收层，在本申请中的视景端，通过对旋转数据进行解析，就可以获得子节点的旋转角度和旋转方向。

为了便于理解键值对，下面进行举例说明。

数据接收层接收到<J1,30>，确定旋转轴为Y，则子节点1旋转30°。

参考图5，本发明实施例还公开了一种机械臂多关节的旋转指令计算方法，所述机械臂多关节的旋转指令计算方法至少包括以下步骤：

S501、按照机械臂的结构分解各个关节点，得到父子层级关系。

S502、实时获取各关节的旋转数据。

S503、解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令。

需要说明的是，先按照机械臂的结构分解各个关节点，得到父子层级关系；然后实时获取各关节的旋转数据；最后解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令。由于各关节的旋转数据是实时获取的，因此将解析后的旋转数据实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，就能够生成子节点的相对坐标旋转指令，子节点在接收到对应的相对坐标旋转指令后，子节点不需要通过计算，就可以直接旋转，有效提高子节点的旋转效率。

参考图6，基于上述公开的机械臂多关节的旋转控制方法和机械臂多关节的旋转指令计算方法，本发明实施例相应的提高了一种机械臂多关节的旋转控制***，包括：仿真平台100和视景端200；

所述仿真平台100用于给所述视景端200传输用于建模的运动数据；

所述视景端200用于获取机械臂实物端300的旋转角度，和生成子节点的相对坐标旋转指令。

需要说明的是，通过所述仿真平台100给所述视景端200传输用于建模的运动数据；所述视景端200获取机械臂实物端300的旋转角度，和生成子节点的相对坐标旋转指令，由于各关节的旋转数据是实时获取的，因此将解析后的旋转数据实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，就能够生成子节点的相对坐标旋转指令，子节点在接收到对应的相对坐标旋转指令后，子节点不需要通过计算，就可以直接旋转，有效提高子节点的旋转效率。

为了便于理解上述方案，结合图1至图6，下面对本方案作进一步介绍。

本申请通过使用相对坐标，在想知道一个节点旋转到目标姿态时需要旋转多少度，只需要看相对于该节点的第一级父节点需要旋转多少度即可。当然多级子节点的机械臂需要从最高级父节点开始进行旋转，只有保证父节点的旋转是对的，子节点再相对父节点进行旋转才能保证整个机械臂的旋转是对的。

具体方案包括以下步骤：

1、首先在视景端按照机械臂的结构分解各个关节点，按照各个关节的父子关系，最低一级的关节在层级关系中作为最底层。最高一级的父物体的层级为1，依次进行排列。

第5层级作为第4层级的子物体，第4层级旋转的时候会带动第5层级一起旋转；第4层级作为第3层级的子物体，第3层级旋转的时候会带动第4层级和第5层级一起旋转；同理，第2层级作为第1层级的子物体，第1层级旋转的时候会带动其下面的第2层级、第3层级、第4层级和第5层级一起旋转。

2、实时获取各关节旋转的数据

2.1、通讯视景端预留数据驱动接口与GCAir仿真软件通信。(GCAir仿真软件是视景端的数据来源)。

GCAir仿真平台建模时需使用TCP模块，将3D模型需要的数据从TCP端口传输给Unity3D以实现仿真数据驱动3D视景演示。

控制一：仿真平台是运行在仿***板的EtherCat总线上的，数据实时传输给视景端，视景端将接收到的所有数据经过解析后实时控制机械臂每个关节点的旋转。

控制二：仿真平台发送给机械臂实物端和视景端的数据是一样的，但是机械臂实物是属于物理移动，移动过程总会存在延迟，所以为了让机械臂实物端和视景端的移动保持同步，实时从机械臂各关节的电机中读取每个关节的实际旋转角度，然后将数据实时发送给视景端，因为视景端是纯数字旋转不存在延迟，所以这样就可以保持机械臂实物端与视景端中各个关节的旋转角度一致。

2.2、基于仿真工程的实时驱动

基于GCAir仿真平台的数学/半实物仿真试验，支持采集仿真工程中的数学模型端口或实物硬件端口数据，并通过TCP通讯模块实时传输至Unity3D视景工程，用于驱动3D模型对应组件的动作，以实现虚拟场景下的3D可视化功能。

3、数据解析及应用

在数据接收层，也就是视景端，对数据按既定的规则进行解析数据。

规则是将数据按照键值对的规则(也称为名值对，数据模型可以表示为元组的集合<name,value>,每个元素都是键值对)，按照键名实时存储对应的值。

再将值实时赋值到机械臂各关节的旋转值中。

本发明能更容易的控制这个机械臂的各个节点的旋转，简化流程提升速率，可以使这个机械臂更流畅自如的进行工作，更像一个真实的手臂一样。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***或***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的***及***实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，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、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。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发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种机械臂多关节的旋转控制方法，其特征在于，包括：

获取子节点的相对坐标旋转指令；

根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述相对坐标旋转指令包括：所述子节点相对其第一级父节点的旋转方向和旋转角度；

所述根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点旋转，包括：

根据所述相对坐标旋转指令控制所述子节点相对其第一级父节点旋转。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：

生成子节点的相对坐标旋转指令。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述生成子节点的相对坐标旋转指令，包括：

按照机械臂的结构和分解各个关节点，得到父子层级关系；

实时获取各关节的旋转数据；

解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述实时获取各关节的旋转数据，包括：

通讯获取仿真平台的运动数据和机械臂实物端的旋转角度；

基于仿真工程的实时驱动。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述通讯获取仿真平台和机械臂实物端的旋转角度，包括：

通过TCP模块由仿真平台传输用于建模的运动数据；

实时从机械臂各关节的电机中读取每个关节的实际旋转角度。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述基于仿真工程的实时驱动，包括：

基于由所述仿真平台的运动数据，驱动3D模型对应组件的动作，实现虚拟场景下的3D可视化。

8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述解析旋转数据，包括：

将旋转数据按照键值对的规则，按照键名实时存储对应的值。

9.一种机械臂多关节的旋转指令计算方法，其特征在于，包括：

按照机械臂的结构分解各个关节点，得到父子层级关系；

实时获取各关节的旋转数据；

解析旋转数据并实时赋值到机械臂各关节的旋转值中，生成子节点的相对坐标旋转指令。

10.一种机械臂多关节的旋转控制***，其特征在于，包括：仿真平台和视景端；

所述仿真平台用于给所述视景端传输用于建模的运动数据；

所述视景端用于获取机械臂实物端的旋转角度，和生成子节点的相对坐标旋转指令。

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