視覺引導的機器人關節空間b樣條軌跡規劃方法

2023-07-07 06:00:26

專利名稱：視覺引導的機器人關節空間b樣條軌跡規劃方法
技術領域：
本發明涉及一種B樣條軌跡規劃方法，尤其是一種視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，屬於機器人關節空間軌跡規劃的技術領域。
背景技術：
自1962年第一臺工業機器人應用於General Motor公司的生產線以來,機器人技術不斷發展、完善和成熟，目前已廣泛應用於製造業、服務業、娛樂業、科學探索、醫學、軍事和航天等各個領域。工業機器人可以代替人類完成大量高質量要求的工作，如汽車製造，電產品製造，工及食品包裝，物料的搬運等。汽車製造業利用機器人在汽車自動化生產線完成焊接、噴漆、裝配等工作。在服務業中，各種服務用智慧機器人如導遊機器人、護士助手、步行功能訓練機器人、導盲機器人等已逐步進入市場。21世紀的服務用智慧機器人除了可以為家庭從事簡單的家務勞動和健康護理工作外，還可以從事一些勞動強度大，工作重複性強的工作，如環境保護、打掃以及公共運輸服務等。在醫學方面機器人主要作為醫療設備輔助醫生和醫務工作者從事醫療、診斷、醫學研究和教學。如遠程手術機器人、醫用微型機器人等。機器人在軍事領域的應用包括代替士兵執行拆除炸彈、掃雷、偵察和攻擊等各種任務。20世紀70年代，美國率先提出了再宇宙空間利用機器人系統的概念，旨在通過機器人的應用進行設備的組裝、回收、維修，以及在極其惡劣的空間環境下完成一些人類難以完成的艙外活動。目前，空間機器人研究只要集中在衛星、太空梭以及國際空間站上使用的空間機器人。目前，國內外機器人路徑規劃大體可以分為三類人工示教、離線編程和自主示教。在結構化環境下，目標軌跡的幾何形狀和位置以及它的周圍環境是已知的，可以利用計算機的離線編程技術進行路徑規劃；而對於複雜路徑和非結構化環境下的軌跡，仍然採用現場人工示教的方法進行路徑規劃，這是目前應用最多的方法。示教方式雖然操作簡單、重複性好，避免了複雜的離線編程，但是它存在示教工作繁重、軌跡跟蹤精度低、無法應對過程中可能發生的變法等缺點。隨著機器人智能化水平的不斷提高和機器視覺技術的日益成熟，人們開始研究以視覺測量信息作為反饋，由計算機控制機器人進行路徑規劃的自主示教。機器人關節空間軌跡規劃是機器人軌跡跟蹤的基礎，傳統的在人工示教下採用B樣條方法規劃關節空間軌跡，能夠保證運動連續平滑；但是在自主示教方式下，示教點是通過視覺傳感器動態獲得的，傳統的樣條規劃方法無法解決。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，其操作方便，實現機器人在視覺引導下的平滑運動，提高機器人軌 跡跟蹤的精度。按照本發明提供的技術方案，所述視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，所述機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法包括如下步驟
第一步、在立體支架內安裝二自由度機器人，所述二自由度機器人能在立體支架內運動；在立體支架的前端採用全局方式安裝工業相機，立體支架內設置傳送帶，傳送帶的運動方向垂直於二自由度機器人的運動平面；在工業相機所在的位置建立相機坐標系，二自由度機器人鄰近傳送帶的端部建立機器人末端工具坐標系；第二步、傳送帶在立體支架內運動，通過工業相機獲取傳送帶上的軌跡點；在工業相機獲取到傳送帶上第一個軌跡點後，驅動二自由度機器人運動到所述獲取第一個軌跡點；在二自由度機器人運到第一個軌跡點的時間內，同時工業相機繼續獲取傳送帶的軌跡點；根據工業相機的採樣頻率、傳送帶運動的線速度及相機坐標系與機器人末端工具坐標系之間的縱向距離，並對工業相機獲取的軌跡點進行逆運算，得到若干關節時間節點序列，以構造B樣條曲線；第三步、二自由度機器人依照上述構造的B樣條曲線運動，工業相機繼續獲取傳送帶上的軌跡點，並對所述軌跡點進行逆運算，得到增加的關節位置點；採用增加節點向量 和控制頂點的方式來延長上述構造的B樣條曲線，以使得B樣條曲線經過增加的關節位置佔.第四步、根據上述得到的B樣條曲線，採用德布爾遞推算法計算B樣條曲線上的位置點，所述位置點作為伺服位置閉環控制的位置輸入，以驅動二自由度機器人運動，直至二自由度機器人運動終止。所述第二步包括如下步驟2. I、在確認工業相機得到傳送帶上的第一個軌跡點時，控制二自由度機器人以點到點的方式運行到上述第一個軌跡點；在二自由度機器人運動到第一個軌跡點的時間內，對工業相機提取的傳送帶的軌跡點進行逆運算，得到關節時間節點序列{Pi，tji =O, 1，…，n，其中Pi為關節角度矢量，\為時間節點矢量，η為關節時間節點序列的數量；2. 2、根據關節時間節點序列(Pi, tj i = O, I,…，η,利用CNd=p方程計算B樣條曲線的控制頂點；其中，Cn表示，d表示控制頂點向量，P表示關節位置點向量；2. 3、根據上述得到的關節時間節點序列(Pi, tj i = O, I, ···，!!及控制頂點向量d,構造B樣條曲線，得到= X ",Λ,,' .⑷，"e [",，",+ K···,i;
j=i-k其中，dj是控制頂點，Nlk(U)為k次規範B樣條基函數，k表示B樣條次數，i表示B樣條序號，Ui表示節點向量為非遞減序列；P(u)表示樣條曲線，u表示樣條節點值。所述第三步中增加的關節位置點為{p」 tj ( τ =η+1, η+2, ···)，其中η為關節時間節點序列的數量；根據增加的關節位置點計算得到增加的控制頂點，得到
—dT '[Nrk (ur+k ), Nr+hk (ur+k ),···, Nr+k_hk (uT+k )]=fr
/r+A-l_其中，q,表示增加關節位置點的關節角度向量。所述德布爾遞推算法的遞推公式為
權利要求
1.一種視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，其特徵是，所述機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法包括如下步驟 第一步、在立體支架(130)內安裝二自由度機器人(110)，所述二自由度機器人(110)能在立體支架(130)內運動；在立體支架(130)的前端採用全局方式安裝工業相機(100)，立體支架(130)內設置傳送帶(120)，傳送帶(120)的運動方向垂直於二自由度機器人(110)的運動平面；在工業相機(100)所在的位置建立相機坐標系，二自由度機器人(I 10)鄰近傳送帶(120)的端部建立機器人末端工具坐標系； 第二步、傳送帶(120)在立體支架(130 )內運動，通過工業相機(100 )獲取傳送帶(120)上的軌跡點；在工業相機(100)獲取到傳送帶(120)上第一個軌跡點後，驅動二自由度機器人(110)運動到所述獲取第一個軌跡點；在二自由度機器人(110)運到第一個軌跡點的時間內，同時工業相機(100)繼續獲取傳送帶(120)的軌跡點；根據工業相機(100)的採樣頻率、傳送帶(120)運動的線速度及相機坐標系與機器人末端工具坐標系之間的縱向距離，並對工業相機(100)獲取的軌跡點進行逆運算，得到若干關節時間節點序列，以構造B樣條曲線. 第三步、二自由度機器人(110)依照上述構造的B樣條曲線運動，工業相機(100)繼續獲取傳送帶(120)上的軌跡點，並對所述軌跡點進行逆運算，得到增加的關節位置點；採用增加節點向量和控制頂點的方式來延長上述構造的B樣條曲線，以使得B樣條曲線經過增加的關節位置點； 第四步、根據上述得到的B樣條曲線，採用德布爾遞推算法計算B樣條曲線上的位置點，所述位置點作為伺服位置閉環控制的位置輸入，以驅動二自由度機器人(110)運動，直至二自由度機器人(110)運動終止。
2.根據權利要求I所述的視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，其特徵是，所述第二步包括如下步驟 (2. I)、在確認工業相機(100)得到傳送帶(120)上的第一個軌跡點時，控制二自由度機器人(110)以點到點的方式運行到上述第一個軌跡點；在二自由度機器人(110)運動到第一個軌跡點的時間內，對工業相機(100)提取的傳送帶(120)的軌跡點進行逆運算，得到關節時間節點序列{p」 tj i = 0, I,…，n，其中Pi為關節角度矢量，h為時間節點矢量，n為關節時間節點序列的數量； (2. 2)、根據關節時間節點序列(Pi, tj i = 0, I,…，n,利用CNd = p方程計算B樣條曲線的控制頂點；其中，Cn表示，d表示控制頂點向量，p表示關節位置點向量； (2. 3)、根據上述得到的關節時間節點序列{p」 tj i = 0, I,…，n及控制頂點向量d,構造B樣條曲線，得到 7>(〃) = Z d iN 丨ii g二免+; M-k 其中，dj是控制頂點,Nj,k (u)為k次規範B樣條基函數，k表示B樣條次數,i表示B樣條序號，Ui表示節點向量為非遞減序列；P(u)表示樣條曲線，u表示樣條節點值。
3.根據權利要求2所述的視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，其特徵是，所述第三步中增加的關節位置點為{pT, tT} ( T =n+l, n+2,…)，其中n為關節時間節點序列的數量；根據增加的關節位置點計算得到增加的控制頂點，得到
4.根據權利要求I所述的視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，其特徵是所述德布爾遞推算法的遞推公式為
全文摘要
本發明涉及一種視覺引導的機器人關節空間B樣條軌跡規劃方法，其包括如下步驟第一步、在立體支架內安裝二自由度機器人，在前端安裝工業相機，傳送帶的運動方向垂直於二自由度機器人的運動平面；第二步、在工業相機獲取到傳送帶上第一個軌跡點後，並在二自由度機器人運動到第一個軌跡點的時間內，根據得到若干關節時間節點序列，以構造B樣條曲線；第三步、採用增加節點向量和控制頂點的方式來延長上述構造的B樣條曲線，以使得B樣條曲線經過增加的關節位置點；第四步、採用德布爾遞推算法計算B樣條曲線上的位置點，以驅動二自由度機器人運動。本發明實現機器人在視覺引導下的平滑運動，提高機器人軌跡跟蹤的精度。
文檔編號B25J9/16GK102794767SQ20121031974
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者白瑞林, 肖文皓, 吉峰, 許凡 申請人:江南大學, 無錫信捷電氣有限公司