[發明專利]內嵌運動性能調節機制的速度規劃方法

有效

• 申請號: 201811306985.5
• 申請日: 2018-11-05
• 公開（公告）號: CN109188915B
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 張雪波;沈佩堯;方勇純
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

一種內嵌運動性能調節機制的速度規劃方法，包括：1.將速度規劃問題轉換為路徑位置和路徑速度的二維規劃問題；將機器人系統速度和加速度約束轉換為二維空間內可行域邊界；2.為二維規劃引入運動性能調節機制；2.1定義運動調節機制的用戶指定參數；2.2調節該參數以改變可行域形狀；3.計算可行域邊界上的勻速巡航部分；以哈希表存儲查詢勻速巡航部分；4.利用完備數值積分策略計算可行域內的可行速度曲線；5.用雙向積分策略使第4步的速度曲線加速度連續，并輸出該速度曲線。該規劃方法能夠根據用戶需求輸出不同運動性能的可行速度曲線，兼顧規劃完備性。

技術領域

本發明屬于工業自動化領域，特別是涉及內嵌運動性能調節機制的速度規劃方法。

背景技術

眾所周知，速度規劃在工業機器人自動化領域有著舉足輕重的地位，決定著機器人系統的安全性和高效性[1]。根據用戶指定的性能指標，將機器人系統的物理約束和起止狀態作為輸入，速度規劃方法在有限時間內輸出滿足物理約束的最優速度曲線或者無解提示。主要性能指標包括運動時間，能量消耗，運動光滑度等[2]。

為了提高機器人系統的生產效率，現有的速度規劃方法將機器人的運動時間作為目標函數以生成滿足物理約束的最短時間速度曲線[3],[4]。然而，這些速度曲線對應的加速度控制量屬于砰-砰控制(Bang-Bang Control)，即加速度是非連續的且飽和的。這會導致跟蹤控制精度的降低和誤差收斂時間的延長，尤其是存在外部擾動的情況下[1]。于是，考慮光滑度的速度規劃方法被提出以提高跟蹤控制效果[5-9]。速度曲線用分段的參數多項式表示以保證連續的加速度。然后，利用最優化工具，計算參數空間下的最優速度曲線。但是，這些速度曲線不是全局最優的，并且非線性最優化工具通常是離線的[10],[11]。另外，由分段多項式構成的速度曲線使機器人主要處在加速或減速狀態，缺少高比例的勻速巡航狀態。對于城市交通系統，這是造成事故的潛在因素[12]。上述的速度規劃方法均缺少完備性，即對于有解規劃問題輸出可行解，否則輸出無解提示。因此，現有的速度規劃方法無法實時地輸出加速度連續且運動時間全局最優的速度曲線，同時保證完備性和調整巡航比例。

具體而言，K.Shin和J.Bobrow等利用龐特里雅金極大原理為工業機械臂提出一種運動時間全局最優的速度規劃方法，但是加速度是飽和且非連續的[3],[4]。Q.Pham提供了該方法的C++/Python開源版本，并移植應用到航天飛行器[13]。另外，凸優化技術和動態規劃技術也被用來計算運動時間全局最優的速度曲線[14],[15]。然而，這些方法在生產和生活場景下存在重要隱患。跟蹤加速度飽和且不連續的速度曲線會降低位姿誤差的收斂效果，而且可能導致機器人機械結構受損，影響機器人整體運動質量和安全。為了輸出加速度連續的速度曲線，光滑速度規劃方法采用分段多項式插值策略來表示可行速度曲線，然后借助最優化工具計算最優速度曲線，包括序列二次優化(Sequential QuadraticProgramming，SQP)[16]，可變容差法(Flexible Tolerance Method，FTM)[17]，粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)[18]和有效集法(Active-Set Optimization)[19]。在給定運動時間條件下，A.Piazzi等用分段三階樣條曲線表達速度曲線，以加速度一階導的平方積分作為目標函數來計算最優速度曲線[6]。C.Bianco等深入研究基于分段多項式插值策略的速度規劃方法，并給出生成可行解的前提條件及相關數學證明[5]。S.Kucuk先采用分段三階樣條表示速度曲線并進行優化計算，然后使用七階多項式平滑分段連接處以保證連續的加速度[18]。S.Macfarlane和D.Constantinescu等通過限制速度曲線的加加速度來保證光滑度(連續的加速度)[10],[17]。A.Gasparetto和V.Zanotto等將帶權重的運動時間和加加速度積分作為目標函數[1]。通過調整權重，該方法能輸出更光滑或者更快速的速度曲線。總結文獻可知，這些方法無法輸出全局空間的運動時間最優解，而且計算效率不可調控，甚至缺少規劃完備性。

發明內容