一种误差可控的机器人轨迹同步优化方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112975992A(43)申请公布日2021.06.18(21)申请号202110557131.X(22)申请日2021.05.21(71)申请人武汉瀚迈科技有限公司地址430070湖北省武汉市东湖新技术开发区大学园路13号-1华中科技大学科技园现代服务业基地1号研发楼14层1号(72)发明人何姗姗颜昌亚李振瀚马磊(74)专利代理机构武汉华强专利代理事务所(普通合伙)42237代理人温珊姗(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)G05D1/10(2006.01)权利要求书5页说明书11页附图2页(54)发明名称一种误差可控的机器人轨迹同步优化方法(57)摘要本发明提供一种误差可控的机器人轨迹同步优化方法，采用多维轨迹点表示多种机器人轨迹，基于多维轨迹点的定义，建立多维轨迹点的统一运算规则和多维曲线，实现了机器人轨迹的高连续性同步优化，并基于几何迭代法实现了多种类型机器人轨迹的高精度插值，该方法能够提高工业机器人轨迹的精度和工作效率，减少机器人作业时的振动。CN112975992ACN112975992A权利要求书1/5页1.一种误差可控的机器人轨迹同步优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、通过定义多维轨迹点来表示多种机器人的位置和姿态轨迹，该多维轨迹点能够同时表示三维位置轨迹、SCARA机器人的位姿轨迹和六关节机器人的位姿轨迹；步骤2、基于多维轨迹点的定义，建立多维轨迹点的统一运算规则和多维曲线，多维轨迹点的多维运算包括多维距离、多维加法、多维数乘和多维减法；步骤3、基于多维轨迹点和多维运算建立基于凸组合表示的机器人轨迹的高连续同步过渡方法，同步过渡采用圆弧、抛物线或B样条曲线作为过渡曲线，不同过渡类型的区别仅在于基函数的不同；设一系列机器人线性轨迹点表示为，其中为多维轨迹点，遍历，基于凸组合的点处的过渡轨迹表示为：其中，式中的加法、数乘和减法均表示多维轨迹点的多维运算，和为过渡曲线的基函数，基函数的具体表示根据采用的过渡曲线类型和连续性条件推导得到；步骤4、建立多维机器人线性轨迹的位姿同步高精度插值优化方法：设为优化前的多维机器人线性轨迹，为待求解的虚拟线性轨迹，和为待求解的过渡参数，其中，为待求解的优化曲线，为过渡轨迹的参数中点：；步骤4.1：构造迭代次数时对应的第一个迭代的虚拟线性轨迹和过渡参数，其中初始虚拟线性轨迹与输入的线性轨迹相同，过渡参数和根据弦高差阈值、保形约束上界和位置轨迹对称约束计算，计算方法为求解以下线性优化问题：；步骤4.2：计算过渡曲线与目标点的位姿误差，该误差通过与目标点的误差评估，其中，与目标点之间的误差采用多维距离计算，判断当前计算的位置误差和姿态误差是否满足输入的位置插值误差阈值和姿态插值误差阈值，输入轨迹为2CN112975992A权利要求书2/5页三维线性轨迹时不需判断姿态误差，若且，则令,,，转步骤4.5，否则转步骤4.3；步骤4.3：根据目标点误差计算虚拟线性轨迹的调整向量和步长，令，新的虚拟线性轨迹为：，其中为步长，为调整向量，首尾目标点不调整，即：；调整向量的计算如下：，为调整向量的集合，，,，，根据调整向量估算步长的范围：设某一矩阵为，步长的取值范围为：，其中是矩阵的最大特征值，计算完调整向量后转步骤4.4；步骤4.4：根据调整向量计算虚拟线性轨迹和过渡参数，虚拟线性轨迹的计算公式为：，过渡参数和的计算，除了弦高差阈值、保形约束上界和位置轨迹对称约束，还需考虑迭代算法的收敛性约束，具体为求解以下线性优化问题：其中目标函数的含义是目标点位置插值，前两个约束条件为弦高差约束和保型约束，第三个约束条件为对称性约束，最后两个约束条件分别为位置和姿态的收敛性约束，该优化问题为带约束的二次优化问题，能够很容易的求解出满足条件的和，该步骤计算完成后转步骤4.2；步骤4.5：根据虚拟线性轨迹和过渡参数,构造点处的优化轨迹:其中基函数和与,的取值有关，具体与选取的过渡曲线类型有关，遍历3CN112975992A权利要求书3/5页除首尾外的所有目标点，进行轨迹优化，最终的优化轨迹由线性部分和过渡曲线部分组成。2.如权利要求1所述的一种误差可控的机器人轨迹同步优化方法，其特征在于：所述步骤1中多维轨迹点采用统一参数表示，三维位置轨迹、SCARA机器人的位姿轨迹和六关节机器人的位姿轨迹，其多维轨迹点形式如下：其中表示三维位置点，表示SCARA机器人的位置和姿态，表示SCARA机器人的姿态采用轴角法表示时的旋转角，SCARA机器人姿态的旋转轴固定，只有旋转角度为变量，表示六关节机器人的位置和姿态点，是六关节机器人姿态的四元数表示。3.如权利要求1所述的一种误差可控的机器人轨迹同步优化方法，其特征在于：所述