[发明专利]一种考虑末端运动误差的六自由度机器人轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种考虑末端运动误差的六自由度机器人轨迹规划方法，更具体是提出了一种结合旋量理论、三次样条插值算法及粒子群优化算法对机器人末端连续轨迹进行精确规划的方法。该方法首先基于旋量理论建立机器人正逆运动学模型，简化计算过程；在关节空间内采用三次样条插值，从而保证运动平滑；最后以关键点个数为变量将末端跟踪误差控制在要求范围以内，再以各段时间间隔为设计变量，各关节最大角速度、角加速度及角加加速度为约束条件，以追踪误差最小为优化目标对轨迹进行优化，从而获得规划效率高、跟踪误差小且运动平滑的规划轨迹。

技术领域

本发明涉及到一种考虑运动误差的六自由度机器人轨迹规划方法，属于机器人运动控制研究领域，具体涉及通过结合旋量理论、三次样条插值算法以及粒子群优化算法对机器人末端连续轨迹进行规划，进而达到满足追踪精度要求、提高规划效率同时获得光滑运动轨迹的研究目的。

背景技术

轨迹规划作为机器人控制研究的基础，对机器人的综合运动性能具有重要影响。按规划空间进行划分，规划方法一般包括关节空间规划和操作空间规划。关节空间规划方法是指直接对关节变量进行插值规划，最终建立关节变量随时间的变化曲线，但由于无法预知运动过程中末端的轨迹变化情况，只适用于末端点到点的简单操作任务。对于末端具有连续轨迹的操作任务，则需采用操作空间规划方法，该方法得到的运动轨迹虽然具有较高的追踪精度，但无法保证运动平稳性。为了能够在追踪末端轨迹的基础上保证运动的柔顺性，一些学者首先将在操作空间内选取能够保证末端轨迹的关键路径点，然后基于运动学逆解模型计算各关节空间内的轨迹节点，再在关节空间内进行轨迹规划，从而同时保证了基本末端轨迹和运动平稳性。在该类方法中规划轨迹仅能够保证关键路径点处的位置精度，由于关节插值带来的连续轨迹的追踪误差依然无法控制。

在轨迹规划中，末端关键路径点个数越多越能够保证追踪精度，但路径点越多关节角位置间距越小，过小的间距难以体现插值算法在平滑轨迹方面起到的真实作用，且逆解次数越多，轨迹规划计算越复杂，从而降低规划效率。其次插值算法不仅影响着轨迹曲线，其算法关键参数(如时间间隔)也对追踪精度也有一定影响。为了提升规划效率，本专利基于旋量理论建立了正逆运动学模型，与传统的D-H模型相比，具有几何意义清晰、表达无奇异及运算量很少等优点。为获得平滑的运动，关节空间轨迹规划采用三次样条插值算法，该方法规划得到的关节角速度，角加速度连续。为使追踪误差在满足要求的条件下尽量小，本专利采用粒子群优化算法对轨迹进行优化，能够通过获取合理的关键路径点个数N和合适的时间间隔组合达到减小追踪误差的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种考虑运动误差的六自由度机器人轨迹规划方法。该方法通过在末端连续轨迹上等距离取关键路径点，对采用旋量运动学模型逆解得到的各关节角位置进行插值规划，首先以关键点个数为变量将末端跟踪误差控制在要求范围以内，再以各段时间间隔为设计变量，各关节最大角速度、角加速度及角加加速度为约束条件，以追踪误差最小为优化目标对轨迹进行优化，从而获得规划效率高、跟踪误差小且运动平滑的规划轨迹。

本发明是采用以下技术手段实现的：

S1、基于旋量理论，对机器人模型建立正逆运动学模型。

S2、在末端的连续轨迹上等距取N+1个关键路径点，得到N个轨迹段，N表示轨迹段的数量；并通过运动学逆解模型得到各关节的轨迹节点，采用三次修正样条曲线进行插值规划，从而得到各关节角位移、速度、加速度及加加速度随时间的变化曲线。

S3、在角位移曲线上每隔20ms取点，并通过正运动学模型计算末端位置，建立跟踪误差模型，计算各位置点的追踪误差，并提取最大轨迹跟踪误差max(E_m)。E_m为轨迹跟踪误差。