[發(fā)明專利]一種面向修錠過程的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110355446.6
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113021356B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫寧;桑文闖;邱澤昊;張程琳;方勇純
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張慶騫

本公開提供了一種機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法及系統(tǒng)，包括：獲取給定路徑，引入路徑參數(shù)，并將給定路徑的笛卡爾坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化表示；將路徑的參數(shù)化笛卡爾坐標(biāo)映射為機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置、速度和加速度；選取一種三段式路徑加速度軌跡或其改進(jìn)型路徑加速度軌跡，獲得路徑參數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的表達(dá)式；利用參數(shù)化的關(guān)節(jié)變量、速度和加速度將機(jī)器人運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)方程參數(shù)化，并獲得性能指標(biāo)函數(shù)；根據(jù)性能指標(biāo)函數(shù)，利用優(yōu)化算法求解路徑加速度軌跡的最優(yōu)參數(shù)，獲取最優(yōu)參數(shù)下沿給定路徑的機(jī)器人軌跡；使沿指定路徑的最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題的維度得以減少，降低了計算復(fù)雜度，并且規(guī)劃出的軌跡包含大范圍勻速段，更適合被應(yīng)用于金屬錠毛刺修整作業(yè)中。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及有色金屬生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于金屬修錠的工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提供了與本公開相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

有色冶金工業(yè)是國內(nèi)外現(xiàn)代化工業(yè)的重要產(chǎn)業(yè)，在有色金屬生產(chǎn)過程中，金屬液在模具中冷凝成型成為金屬錠后，金屬錠的四周帶有形狀不規(guī)則的毛刺，影響產(chǎn)品質(zhì)量。人工打磨毛刺費(fèi)時費(fèi)力，效率低下。作業(yè)環(huán)境高溫，存在熱輻射，影響人體健康。而且修錠動作簡單重復(fù)，沒有硬性的技術(shù)要求，勞動強(qiáng)度大。此外，人工并不能保證修錠效果的一致性，存在遺漏的情況，使得產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。考慮以上不足，將自動化設(shè)備用于該生產(chǎn)環(huán)節(jié)非常必要。工業(yè)機(jī)器人是被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)電一體化設(shè)備，可以代替人根據(jù)事先設(shè)定的程序自動執(zhí)行簡單重復(fù)或者復(fù)雜危險的生產(chǎn)工序。目前在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人大多采用點(diǎn)對點(diǎn)示教編程的方式，針對特定的作業(yè)場景，設(shè)定多個路徑點(diǎn)，相鄰兩個路徑點(diǎn)之間以直線或圓弧運(yùn)動指令銜接。這種方式忽略了機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)特性，無法對作業(yè)執(zhí)行時間或作業(yè)過程中的能耗進(jìn)行優(yōu)化，從而無法最大限度地發(fā)揮機(jī)器人的性能，因此在利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行金屬錠毛刺修整作業(yè)時，為機(jī)器人進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃十分重要。

機(jī)器人的軌跡規(guī)劃問題主要分為關(guān)節(jié)空間規(guī)劃和笛卡爾空間規(guī)劃。關(guān)節(jié)空間的規(guī)劃針對機(jī)器人的運(yùn)動方式為“點(diǎn)對點(diǎn)”的情況，主要利用多項式函數(shù)對各關(guān)節(jié)量進(jìn)行插值，在合理選取多項式參數(shù)的情況下，可以實現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動速度、加速度和加加速度平滑，但機(jī)器人末端執(zhí)行器在笛卡爾空間中的路徑形狀難以預(yù)測。笛卡爾空間的規(guī)劃方法針對末端執(zhí)行器的路徑形狀有嚴(yán)格限制的情況，在笛卡爾空間中規(guī)劃末端執(zhí)行器的軌跡，然后對插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行逆解，得到各關(guān)節(jié)量的軌跡。

考慮到實際作業(yè)場景，模具和金屬錠具有固定形狀，毛刺分布于金屬錠表面的外側(cè)邊緣，也即模具的內(nèi)邊緣，機(jī)器人在進(jìn)行修錠作業(yè)時，末端執(zhí)行器沿模具內(nèi)側(cè)運(yùn)動一周，路徑形狀嚴(yán)格受限，因此應(yīng)在笛卡爾空間中進(jìn)行機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。笛卡爾空間的規(guī)劃方法涉及到將一段指定路徑分割為多個直線和圓弧路徑段，選取插值函數(shù)對笛卡爾坐標(biāo)下的三個位置分量和三個姿態(tài)分量進(jìn)行插補(bǔ)。由于機(jī)器人的控制是在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行的，因此還應(yīng)利用逆運(yùn)動學(xué)和雅克比將規(guī)劃得到的笛卡爾位置、速度和加速度映射為關(guān)節(jié)空間中的角度、角速度和角加速度。此外，在考慮實現(xiàn)機(jī)器人的最優(yōu)軌跡規(guī)劃時，還要結(jié)合運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程對時間或能量等代價函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，隨著機(jī)器人自由度的增多，計算復(fù)雜度和計算量將急劇增加，引起“維數(shù)災(zāi)難”。為了緩解沿指定路徑機(jī)器人軌跡規(guī)劃的計算復(fù)雜問題，Bobrow等人提出了一種路徑參數(shù)化方法，通過引入廣義路徑參數(shù)將指定路徑和機(jī)器人運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)方程進(jìn)行參數(shù)化，減少優(yōu)化變量并降低優(yōu)化問題的復(fù)雜性，并且應(yīng)用該方法成功解決了三自由度機(jī)械臂的時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題。此后諸多學(xué)者參考路徑參數(shù)化思想，考慮機(jī)器人轉(zhuǎn)矩、速度和加速度等不同的約束條件，研究了多自由度機(jī)械臂沿指定路徑的最優(yōu)時間、能量和沖擊等最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題。