[发明专利]一种面向修锭过程的机器人轨迹规划方法及系统

说明书

本公开提供了一种机器人轨迹规划方法及系统，包括：获取给定路径，引入路径参数，并将给定路径的笛卡尔坐标进行参数化表示；将路径的参数化笛卡尔坐标映射为机器人的关节位置、速度和加速度；选取一种三段式路径加速度轨迹或其改进型路径加速度轨迹，获得路径参数及其导数的表达式；利用参数化的关节变量、速度和加速度将机器人运动学与动力学方程参数化，并获得性能指标函数；根据性能指标函数，利用优化算法求解路径加速度轨迹的最优参数，获取最优参数下沿给定路径的机器人轨迹；使沿指定路径的最优轨迹规划问题的维度得以减少，降低了计算复杂度，并且规划出的轨迹包含大范围匀速段，更适合被应用于金属锭毛刺修整作业中。

技术领域

本公开涉及有色金属生产技术领域，具体涉及用于金属修锭的工业机器人轨迹规划方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成现有技术。

有色冶金工业是国内外现代化工业的重要产业，在有色金属生产过程中，金属液在模具中冷凝成型成为金属锭后，金属锭的四周带有形状不规则的毛刺，影响产品质量。人工打磨毛刺费时费力，效率低下。作业环境高温，存在热辐射，影响人体健康。而且修锭动作简单重复，没有硬性的技术要求，劳动强度大。此外，人工并不能保证修锭效果的一致性，存在遗漏的情况，使得产品质量参差不齐。考虑以上不足，将自动化设备用于该生产环节非常必要。工业机器人是被广泛应用于现代化工业生产中的机电一体化设备，可以代替人根据事先设定的程序自动执行简单重复或者复杂危险的生产工序。目前在工业现场应用的工业机器人大多采用点对点示教编程的方式，针对特定的作业场景，设定多个路径点，相邻两个路径点之间以直线或圆弧运动指令衔接。这种方式忽略了机器人的运动学与动力学特性，无法对作业执行时间或作业过程中的能耗进行优化，从而无法最大限度地发挥机器人的性能，因此在利用工业机器人进行金属锭毛刺修整作业时，为机器人进行合理的轨迹规划十分重要。

机器人的轨迹规划问题主要分为关节空间规划和笛卡尔空间规划。关节空间的规划针对机器人的运动方式为“点对点”的情况，主要利用多项式函数对各关节量进行插值，在合理选取多项式参数的情况下，可以实现机器人关节运动速度、加速度和加加速度平滑，但机器人末端执行器在笛卡尔空间中的路径形状难以预测。笛卡尔空间的规划方法针对末端执行器的路径形状有严格限制的情况，在笛卡尔空间中规划末端执行器的轨迹，然后对插补点进行逆解，得到各关节量的轨迹。

考虑到实际作业场景，模具和金属锭具有固定形状，毛刺分布于金属锭表面的外侧边缘，也即模具的内边缘，机器人在进行修锭作业时，末端执行器沿模具内侧运动一周，路径形状严格受限，因此应在笛卡尔空间中进行机器人的轨迹规划。笛卡尔空间的规划方法涉及到将一段指定路径分割为多个直线和圆弧路径段，选取插值函数对笛卡尔坐标下的三个位置分量和三个姿态分量进行插补。由于机器人的控制是在关节空间进行的，因此还应利用逆运动学和雅克比将规划得到的笛卡尔位置、速度和加速度映射为关节空间中的角度、角速度和角加速度。此外，在考虑实现机器人的最优轨迹规划时，还要结合运动学和动力学方程对时间或能量等代价函数进行优化，随着机器人自由度的增多，计算复杂度和计算量将急剧增加，引起“维数灾难”。为了缓解沿指定路径机器人轨迹规划的计算复杂问题，Bobrow等人提出了一种路径参数化方法，通过引入广义路径参数将指定路径和机器人运动学/动力学方程进行参数化，减少优化变量并降低优化问题的复杂性，并且应用该方法成功解决了三自由度机械臂的时间最优轨迹规划问题。此后诸多学者参考路径参数化思想，考虑机器人转矩、速度和加速度等不同的约束条件，研究了多自由度机械臂沿指定路径的最优时间、能量和冲击等最优轨迹规划问题。