CN113771031B - 一种机器人自适应调速方法及多关节机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机器人自适应调速方法及多关节机器人，所述方法包括:设定机器人的安全参数；运行过程中检测特定参数的运行值，比较所述运行值和安全参数，当所述运行值超过所述安全参数时，触发机器人实时调速；所述机器人实时调速包括：确定特定参数的目标值，所述目标值小于或等于安全参数，根据所述目标值和运行值的比值确定调速输出百分比；根据所述调速输出百分比，规划机器人在各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值，所述机器人调速前和调速后发送的位置命令增量总量一致。本发明具体实施例的有益效果在于：当机器人触发调速时，根据规划位置命令增量的方式进行调速，机器人调速前后的运行轨迹保持不变。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人领域，特别是涉及一种机器人自适应调速方法及多关节机器人。
背景技术
中国是制造业大国，随着人口红利衰退，传统劳动密集型生产模式难以持续，机器替代人工势在必行，企业向自动化生产升级改造成发展主要方向。工业机器人领域包括传统的工业机器人和协作机器人，传统的工业机器人应用于工业环境中替代人工操作，新型的协作机器人主要用于在已有的产线布局上进行优化，便于人和机器协同工作，协作机器人的工作场景使得其对安全性、轻便性等性能提出较高的要求。
为保证协作机器人运行的安全性，协作机器人通常有较多的安全参数限制运行条件，机器人运行条件如果不满足安全参数将会触发急停。机器人在执行工作前会进行示教，期望机器人跟随预定轨迹运行，但是即便是在进行示教时机器人的各项参数均满足要求，在实际运动中机器人很可能因为一些特殊点位导致超速报警，机器人骤然停止运动会对机体造成较大的运动冲击。
传统的方式中，当触发机器人调速时，按照触发时刻的运动参数进行相应的运动规划，机器人运动过程中重新进行运动规划，会使得机器人原有的移动路径发生偏移，不能完美跟随最初设定的预定轨迹，可能影响操纵精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人自适应调速方法及多关节机器人，以解决现有技术中的机器人发生异常状况骤然停机影响机器人工作稳定性，以及机器人运动过程中通过运动规划改变机器人速度影响机器人跟随预定轨迹的问题。
为实现上述目标，本发明可采用如下技术方案：一种机器人自适应调速方法，机器人能够根据示教过程设定的预定轨迹运行以执行工作任务，机器人执行预定轨迹的过程由多个运行周期组成，所述方法包括：设定机器人的安全参数，所述安全参数限制机器人运行过程中特定参数的最大运行值；运行过程中检测特定参数的运行值，比较所述运行值和安全参数，当所述运行值超过所述安全参数时，触发机器人实时调速以减速；所述机器人实时调速包括：确定特定参数的目标值，所述目标值小于或等于安全参数，根据所述目标值和运行值的比值确定调速输出百分比；根据所述调速输出百分比，规划机器人各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值，所述机器人调速前和调速后发送的位置命令总量一致。
进一步的，当所述运行值小于安全参数时，检测机器人的安全参数是否发生变化，若检测到安全参数增大，触发机器人实时调速以增速。
进一步的，所述机器人具有常规运行模式和缩减模式，所述常规运行模式下的安全参数大于所述缩减模式下的安全参数，所述方法包括：当所述运行值小于当前安全参数时，检测是否发生模式切换，检测到机器人从缩减模式切换至常规运行模式时，触发机器人实时调速以增速。
进一步的，所述机器人包括底座、连杆和多个关节，其中连接俩较长的连杆的关节为肘部关节，机器人末端用于连接工作工具，所述特定参数包括肘部速度、各关节速度、末端工具速度中至少部分，所述安全参数包括机器人最大肘部速度，各关节的最大关节速度，最大末端工具速度中至少部分。
进一步的，根据所述调速输出百分比，规划各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值包括：
根据所述调速输出百分比，规划调速周期长度，根据调速周期长度和调速前规划的位置命令总量拆分各运行周期的位置命令增量。
进一步的，所述机器人检测至少两个特定参数，当至少存在两个特定参数的运行值超过安全参数时，根据各特定参数的目标值和运行值的比值选取较小值确定为调速输出百分比。
进一步的，所述规划各运行周期的位置命令增量包括：通过调用S型加减速函数或七次多项式调速函数，将机器人的速度变化趋势规划为“S”型曲线，根据速度变化趋势规划各运行周期的位置命令增量。
本发明还可采用如下技术方案：一种多关节机器人，包括底座、连杆和多个关节，机器人能够根据示教过程设定的预定轨迹运行以执行工作任务，机器人执行预定轨迹的过程由多个运行周期组成，所述机器人包括：设定模块，用于设定机器人的安全参数，所述安全参数限制机器人运行过程中特定参数的最大运行值；调速模块，运行过程中检测特定参数的运行值，比较所述运行值和安全参数，当所述运行参数超过所述安全参数时，触发机器人实时调速以减速；其中，所述机器人实时调速包括:确定特定参数的目标值，所述目标值小于或等于安全参数，根据所述目标值和运行值的比值确定调速输出百分比；根据所述调速输出百分比，规划机器人各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值，所述机器人调速前和调速后发送位置命令的总量一致。
进一步的，所述调速模块用于，当所述运行值小于安全参数时，检测机器人的安全参数是否发生变化，若检测到安全参数增大，触发机器人实时调速以增速。
进一步的，所述机器人具有常规运行模式和缩减模式，所述常规运行模式下的安全参数大于所述缩减模式下的安全参数，所述调速模块用于当所述运行值小于当前安全参数时，检测当前是否发生模式切换，检测到机器人从缩减模式切换至常规运行模式时，触发机器人实时调速以增速。
进一步的，所述调速模块用于根据所述调速输出百分比，规划调速周期长度，根据调速周期长度和调速前规划的位置命令总量拆分各运行周期的位置命令增量。
进一步的，所述规划各运行周期的位置命令增量包括：通过调用S型加减速函数或七次多项式调速函数，将机器人的速度变化趋势规划为“S”型曲线，根据速度变化趋势规划各运行周期的位置命令增量。
与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：本方案在机器人运行过程中实时监测特定参数的运行值，当超过安全参数或满足其他预设条件时，触发机器人实时调速，保证机器人运行过程中的安全性。同时，采用规划位置命令增量的方法，根据机器人预先的路径规划拆分机器人每一运动周期的关节增量，不改变初始状态下机器人的规划，保证机器人调速前后均能够跟随预定轨迹运行。
附图说明
图1是本发明一个实施例的调速方法的示意图
图2是本发明一个实施例的机器人的示意图
图3是本发明另一实施例的调速方法的示意图
图4是本发明又一实施例的调速方法的示意图
图5是本发明一实施例的多关节机器人的模块图
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于穷举本发明的所有可行方式，更不是用于限制本发明的具体实施范围。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明保护一种机器人自适应调速方法，参图1，图1是本发明一个具体实施例的机器人自适应调速方法的示意图，机器人使用前，用于通过示教器、平板电脑等设备设定示教程序，机器人能够根据示教过程设定的预定轨迹运行以执行工作任务，机器人执行预定轨迹的过程包括多个运行周期，所述方法包括：S1、设定机器人的安全参数，所述安全参数限制机器人运行过程中特定参数的最大运行值；S2、运行过程中检测特定参数的运行值，比较所述运行值和安全参数，当所述运行值超过所述安全参数时，触发机器人实时调速以减速。
图2是本发明一个具体实施例的机器人的示意图，机器人100包括底座30、连杆40和多个关节20，关节20作为连接件连接机器人100的各相邻部件，其中连接较长俩连杆40的是肘部关节21，即肘部关节21连接机器人第一长和第二长的连杆，因此肘部关节21的运动范围较大，机器人末端用于连接工作工具300，例如，机器人末端包括工具法兰50连接具体工作工具300以实现抓取等工作。具体的，所述特定参数包括肘部速度、各关节速度、末端工具速度中的至少部分，相对应的，所述安全参数包括机器人最大肘部速度、各关节的最大关节速度、最大末端工具速度中的至少部分。其中，所述肘部速度表示肘部关节的平动速度，关节速度表示关节转动速度。
具体的，所述机器人实时调速包括：确定特定参数的目标值，所述目标值小于或等于安全参数，根据所述目标值和运行值的比值确定调速输出百分比；根据所述调速输出百分比，规划机器人各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值，所述机器人调速前后调速后发送位置命令的总量一致。通过选取小于或等于安全参数的目标值，机器人调速后特定参数的运行值小于或等于安全参数。根据规划位置命令数量的方式调整机器人速度，未改变机器人的原始运动规划，机器人调速前后调速后相比，发送的位置命令总量相同，机器人始终跟随预定轨迹移动。
可选的，在执行实时调速前，还需要获取机器人的规划数据，所述机器人的规划数据包括规划路径、规划速度、规划周期和规划位置命令增量，可选的，机器人包括规划层面在机器人执行工作前规划上述各项参数，所述规划位置指令增量为所述机器人以所述规划速速完成规划路径的过程中每个规划周期对应的位置指令增量。一套路径运动参数(包含加速度a、速度v、转接半径r等)配合示教的运动点位能够对应一组机器人运动路径，此运动路径即为规划路径，运动参数中的速度即为规划速度，规划周期可以是机器人的运动周期；如果机器人1ms计算一次运行的位姿，则规划周期是1ms，规划位置指令增量即为机器人以规划速度完成规划路径过程中每1ms输出的位置指令增量。通常，对机器人进行调速时，根据已知的路径点位，搭配不同的运动参数进行运动规划，由此可能导致运动路径发生偏差，同时，对机器人的实时运动规划过程也会使得运动规划本身复杂性高，容易对机器人的其他算法执行产生干扰。本方案中，机器人在进行调速时，通过已知的运动规划，去改变运动周期的位置命令增量，运算量较小不改变机器人原有的运动规划。例如，机器人包括规划层面和发送层面，规划层面在机器人运行前规划机器人的各项参数，发送层面接收到规划层面规划的各项参数，机器人运行过程中，速度需要调整时，发送层面调整规划的运行周期的各运行周期的位置命令增量，机器人每个运行周期的位置命令增量与每个运行周期的关节转动的角度相对应，进而调整运行速度，该调整过程不影响规划层面执行机器人的其他软件或算法功能。进一步的，参图3，所述方法包括：S3、当所述运行值小于所述安全参数时，检测机器人的安全参数是否发生变化，若检测到安全参数增大，触发机器人实时调速以增速。在检测到运行值小于安全参数时，机器人尚未触发实时调速，此时，若检测到安全参数增大，说明安全参数条件变化，此时机器人的运行值可以适当增加以提升机器人的运行效率，因此检测到安全参数增大时，触发机器人实时调速以增速。
或者，在另一个具体实施例中，机器人具有常规运行模式和缩减模式，所述常规模式下的安全参数大于所述缩减模式下的安全参数，所述缩减模式即对机器人安全性要求更严苛的环境，例如，当机器人工作环境中同时出现人工操作时，机器人从常规运行模式切换至缩减模式，反之，则从缩减模式切换至常规运行模式。参图4，所述方法包括：S4、当所述运行值小于当前安全参数时，检测当前是否发生模式切换，检测到机器人从缩减模式切换至常规运行模式时，触发机器人实时调速以增速。可理解的，无论是机器人的安全参数主动发生变化，又或者机器人的运行模式发生变化导致安全参数变化的情况，当机器人的安全参数变化时，机器人能够及时自动更新安全参数，以使得特定参数的运行值能够和最新的安全参数进行比较，保证安全性判断的准确性。
其中，本实施例中根据调速输出百分比，规划各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值包括：根据所述调速输出百分比，规划调速周期长度，根据调速周期长度和调速前的位置命令总量拆分各运行周期的位置命令增量。进一步的，可以通过调用S型加减速函数或者七次多项式调速函数，将机器人的速度变化趋势规划为“S”型的变化曲线，根据速度变化趋势规划各运行周期的位置命令增量。
位置命令包括多种形式，在一个具体的实施例中，位置命令形成为脉冲信号，根据一种具体的实现方式，在一次确定的运动规划中，假设T为执行预定轨迹的总规划时长，Period为一个运行周期的长度，则机器人将会运行的总运动周期数量为设定机器人为六轴机器人，在机器人运行前进行运动规划后，其每一运动周期的脉冲数量是确定的，假设分别为q1i、q2i、q3i、q4i、q5i、q6i(i＝0,1,2,......,N)。基于确定的运动周期数量N，以及每个运动周期的脉冲增量q1i、q2i、q3i、q4i、q5i、q6i(i＝0,1,2,......,N)，根据调速输出百分比P％，缩放运动周期至N′，按比例调整每周期的脉冲增量为q′ 1i、q′2i、q′ 3i、q′ 4i、q′ 5i、q′ 6i(i＝0,1,2,......,N′)，实现调速的目的，调速前后脉冲总量相同，即关节运动总量相同。
其中，调速百分比和位置命令增量具有对应关系，对于确定运动规划的状况下而言，根据已知的调速输出百分比，拆分缩放各运动周期的位置命令增量，拆分缩放的比例为调速输出百分比。在本实施例中，对于确认的运动规划，其每一周期的脉冲增量为q1i、q2i、q3i、q4i、q5i、q6i(i＝0,1,2,......,N)，在某一发送周期，规划周期时长为TPeriod，其中TPeriod取值为0到1个插补周期，TPeriod与插补周期的比值为Δ，脉冲增量为q1、q2、q3、q4、q5、q6。已知调速输出百分比为P％，当前运动周期的脉冲被拆分为：
第1个：
其中，规划时长为1个插补周期。
第2个：
其中，规划时长为1个插补周期。……
第n个：
其中，规划时长为1个插补周期。
第n+1个：
总规划时长为个插补周期。其中n为，使/>的最大正整数；若/>n为取值为0，/>
对于N个运动周期而言，只需按规律连续拆分规划的每一个周期的脉冲增量，即可使得机器人的速度最终满足调速输出百分比的调速要求。
在一个具体的实施例中，机器人可能同时检测多个特定参数的运行值，当至少存在两个特定参数的运行值超过安全参数时，根据各特定参数的目标值和运行值的比值选取较小值确定为调速输出百分比。以确保完成调速时，各特定参数的运行值均能符合对应的安全参数的要求。以上优选实施例的有益效果是：机器人检测特定参数的运行值与安全参数比较，使得运行值不超过安全参数以保证机器人的工作安全性。在达到触发调速的条件时，基于机器人原本的运动规划，确定各运行周期的位置命令增量并重新拆分各运行周期的位置命令增量，使得机器人调速过程前后机器人运动轨迹不变。
本发明还保护一种多关节机器人，参图2，所述多关节机器人100包括底座30、连杆40和多个关节20，机器人100能够根据示教过程设定的预定轨迹运行以执行工作任务，机器人执行预定轨迹的过程由多个运行周期组成，例如，机器人执行预定轨迹需要2分钟，其中每个运行周期为1ms,参图5，所述机器人100包括设定模块1和调速模块2，所述设定模块1用于设定机器人的安全参数，所述安全参数限制机器人运行过程中特定参数的最大运行值，所述调速模块2运行过程中在每个运行周期检测特定参数的运行值，比较所述运行值和安全参数，当所述运行参数超过安全参数时，触发机器人实时调速以减速。其中，所述机器人实时调速包括:确定特定参数的目标值，所述目标值小于或等于安全参数，根据所述目标值和运行值的比值确定调速输出百分比；根据所述调速输出百分比，规划机器人各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值，所述机器人调速前和调速后发送位置命令的总量一致。据此，机器人得以保证特定参数的运行值在安全参数限定的范围内，从而保证机器人运行的安全性。
在一个具体的实施例中，所述调速模块2用于：当所述运行值小于安全参数时，检测机器人的安全参数是否发生变化，若检测到安全参数增大，触发机器人实时调速以增速。在一个其他的实施例中，所述机器人具有常规运行模式和缩减模式，所述常规运行模式下的安全参数大于所述缩减模式下的安全参数，所述调速模块2用于当所述运行值小于当前安全参数时，检测当前是否发生模式切换，检测到机器人从缩减模式切换至常规运行模式时，触发机器人实时调速以增速。据此，机器人能够在安全参数发生变化时，机器人的安全参数增大时，适当的增大机器人运行速度，进而保证机器人运行的效率。
与前文一致的，所述机器人连接俩较长的连杆的关节为肘部关节，机器人末端用于连接工作工具，所述特定参数包括肘部速度、各关节速度、末端工具速度中至少部分，所述安全参数包括机器人最大肘部速度、各关节的最大关节速度、最大末端工具速度中至少部分。
具体的，当机器人同时检测多个特定参数的运行值时，当至少存在两个特定参数的运行值超过安全参数时，根据各特定参数的目标值和运行值的比值选取较小值确定为调速输出百分比，从而使得在完成调速时，所有特定参数的运行值均满足安全参数的要求。
具体的，所述调速模块2用于根据所述调速输出百分比，规划调速周期长度，根据调速周期长度和调速前规划的位置命令总量拆分各运行周期的位置命令增量。其中，所述规划各运行周期的位置命令增量包括：通过调用S型加减速函数或七次多项式调速函数，将机器人的速度变化趋势规划为“S”型曲线，根据速度变化趋势规划各运行周期的位置命令增量。关于上述实施例中的多关节机器人，其中各模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
在示例性实施例中，本申请还提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，例如存储有计算机程序的存储器，所述计算机程序可由处理器执行以完成机器人自适应调速方法。可选地，存储介质可以是非临时性计算机可读存储介质，例如，所述非临时性计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。
Claims (8)
1.一种机器人自适应调速方法，机器人能够根据示教过程规划的预定轨迹运行以执行工作任务，其特征在于，机器人执行预定轨迹的过程由多个运行周期组成，所述方法包括：
设定机器人的安全参数，所述安全参数限制机器人运行过程中特定参数的最大运行值；
运行过程中检测特定参数的运行值，比较所述运行值和安全参数，当所述运行值超过所述安全参数时，触发机器人实时调速以减速；
其中，在执行实时调速前，获取机器人在执行工作前的规划数据，所述机器人的规划数据包括规划路径、规划速度、规划周期和规划位置命令增量，所述规划位置命令增量为机器人以规划速度完成规划路径的过程中每个规划周期对应的位置命令增量；
所述机器人实时调速包括：确定特定参数的目标值，所述目标值小于或等于安全参数，根据所述目标值和运行值的比值确定调速输出百分比；
根据所述调速输出百分比和调速前的位置命令总量，规划机器人调速后的各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值，所述机器人调速前和调速后发送的位置命令总量一致；
根据所述调速输出百分比和调速前的位置命令总量，规划机器人调速后的运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值包括：
根据所述调速输出百分比和调速前的位置命令总量，规划调速周期长度，根据调速周期长度和调速前规划的位置命令总量拆分各运行周期的位置命令增量，其中，拆分各运行周期的位置命令增量的比例为调速输出百分比；
所述机器人检测至少两个特定参数，当至少存在两个特定参数的运行值超过安全参数时，根据各特定参数的目标值和运行值的比值选取较小值确定为调速输出百分比。
2.根据权利要求1所述的调速方法，其特征在于，当所述运行值小于安全参数时，检测机器人的安全参数是否发生变化，若检测到安全参数增大，触发机器人实时调速以增速。
3.根据权利要求1所述的调速方法，其特征在于，所述机器人具有常规运行模式和缩减模式，所述常规运行模式下的安全参数大于所述缩减模式下的安全参数，所述方法包括：当所述运行值小于当前安全参数时，检测是否发生模式切换，检测到机器人从缩减模式切换至常规运行模式时，触发机器人实时调速以增速。
4.根据权利要求1所述的调速方法，其特征在于，所述机器人包括底座、连杆和多个关节，其中连接俩较长的连杆的关节为肘部关节，机器人末端用于连接工作工具，所述特定参数包括肘部速度、各关节速度、末端工具速度中至少部分，所述安全参数包括机器人最大肘部速度，各关节的最大关节速度，最大末端工具速度中至少部分。
5.根据权利要求1所述的调速方法，其特征在于，所述规划各运行周期的位置命令增量包括：通过调用S型加减速函数或七次多项式调速函数，将机器人的速度变化趋势规划为“S”型曲线，根据速度变化趋势规划各运行周期的位置命令增量。
6.一种多关节机器人，包括底座、连杆和多个关节，机器人能够根据示教过程规划的预定轨迹运行以执行工作任务，其特征在于，机器人执行预定轨迹的过程由多个运行周期组成，所述机器人包括：
设定模块，用于设定机器人的安全参数，所述安全参数限制机器人运行过程中特定参数的最大运行值；
调速模块，运行过程中检测特定参数的运行值，比较所述运行值和安全参数，当所述运行值超过所述安全参数时，触发机器人实时调速以减速；
其中，在执行实时调速前，机器人获取执行工作前的规划数据，所述规划数据包括规划路径、规划速度、规划周期和规划位置命令增量，所述规划位置命令增量为机器人以规划速度完成规划路径的过程中每个规划周期对应的位置命令增量；
其中，所述机器人实时调速包括: 确定特定参数的目标值，所述目标值小于或等于安全参数，根据所述目标值和运行值的比值确定调速输出百分比；
根据所述调速输出百分比和调速前的位置命令总量，规划机器人调速后的各运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值，所述机器人调速前和调速后发送位置命令的总量一致；
根据所述调速输出百分比和调速前的位置命令总量，规划机器人调速后的运行周期的位置命令增量以调整特定参数的运行值包括：
根据所述调速输出百分比和调速前的位置命令总量，规划调速周期长度，根据调速周期长度和调速前规划的位置命令总量拆分各运行周期的位置命令增量，其中，拆分各运行周期的位置命令增量的比例为调速输出百分比；
所述机器人检测至少两个特定参数，当至少存在两个特定参数的运行值超过安全参数时，根据各特定参数的目标值和运行值的比值选取较小值确定为调速输出百分比。
7.根据权利要求6所述的多关节机器人，其特征在于，所述调速模块用于，当所述运行值小于安全参数时，检测机器人的安全参数是否发生变化，若检测到安全参数增大，触发机器人实时调速以增速。
8.根据权利要求6所述的多关节机器人，其特征在于，所述机器人具有常规运行模式和缩减模式，所述常规运行模式下的安全参数大于所述缩减模式下的安全参数，所述调速模块用于当所述运行值小于当前安全参数时，检测当前是否发生模式切换，检测到机器人从缩减模式切换至常规运行模式时，触发机器人实时调速以增速。
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