轨迹规划方法、装置及计算机可读存储介质与流程

1.本技术涉及机器人技术领域，特别是涉及一种轨迹规划方法、装置及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.scara机器人是一种应用于装配作业的机器人手臂，最适用于平面定位。在scara机器人的应用场景中，有一大类应用场景是抓取目标-放置目标，该应用场景轨迹简单，大多数走的是门型轨迹，其中门型轨迹是指机器人先垂直上升，然后水平运动，最后垂直下降的轨迹。
3.在现有技术中，通常使用ptp语言来控制scara机器人走门型轨迹，但是利用ptp语言来控制scara机器人走门型轨迹时均是基于轴空间，而在研究传送带跟随时均是基于笛卡尔空间，因此目前很难将利用ptp语言来控制scara机器人走门型轨迹与传送带跟随技术结合起来。


技术实现要素：

4.本技术提供一种轨迹规划方法、装置及计算机可读存储介质，能够实现轴空间轨迹在笛卡尔空间下与传送带进行相同的运动。
5.本技术实施例第一方面提供一种轨迹规划方法，所述方法包括：在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置；对目标插补时刻的所述第一轴位置进行机器人正解运算，得到第一笛卡尔位置；获取目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的位置变换矩阵，其中，所述位置变换矩阵表征所述目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的转动；根据所述第一笛卡尔位置以及所述位置变换矩阵，得到第二笛卡尔位置；对所述第二笛卡尔位置进行机器人逆解运算，得到第二轴位置；将所述第二轴位置确定为所述目标插补时刻的最终轴位置。
6.本技术实施例第二方面提供一种轨迹规划装置，所述轨迹规划装置包括：规划模块，用于在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置；正解模块，与所述规划模块连接，用于对目标插补时刻的所述第一轴位置进行机器人正解运算，得到第一笛卡尔位置；获取模块，与所述正解模块连接，用于获取目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的位置变换矩阵，其中，所述位置变换矩阵表征所述目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的转动；变换模块，与所述获取模块连接，用于根据所述第一笛卡尔位置以及所述位置变换矩阵，得到第二笛卡尔位置；逆解模块，与所述变换模块连接，用于对所述第二笛卡尔位置进行机器人逆解运算，得到第二轴位置；确定模块，与所述逆解模块连接，用于将所述第二轴位置确定为所述目标插补时刻的最终轴位置。
7.本技术实施例第三方面提供一种轨迹规划装置，所述轨迹规划装置包括处理器、存储器以及通信电路，所述处理器分别耦接所述存储器、所述通信电路，所述存储器中存储
有程序数据，所述处理器通过执行所述存储器内的所述程序数据以实现上述方法中的步骤。
8.本技术实施例第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序能够被处理器执行以实现上述方法中的步骤。
9.有益效果是：本技术将轨迹规划过程分为三个阶段，第一阶段为将轴位置进行机器人正解运算，第二阶段为将正解运算的结果进行变换，第三阶段为将变换后的结果进行机器人逆解运算，从而可以实现轴空间与笛卡尔空间的同步运动，使得机器人与目标传送带同步运动。
附图说明
10.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
11.图1是本技术门型轨迹的结构示意图；
12.图2是确定目标轨迹的流程示意图；
13.图3是本技术轨迹规划方法一实施方式的流程示意图；
14.图4是本技术轨迹规划装置一实施方式的结构示意图；
15.图5是本技术轨迹规划装置另一实施方式的结构示意图；
16.图6是本技术计算机可读存储介质一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
18.需要说明的是，本技术中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
19.首先需要说明的是，本技术所涉及的机器人可以是任何类型的机器人，例如6轴机器人，4轴机器人，但是为了便于说明，下面以机器人为scara机器人为例进行介绍，其中，scara机器人具有4个轴，其中1轴、2轴以及4轴均为旋转轴，3轴为直线轴，因此scara机器人在笛卡尔空间的z方向的位置只跟3轴相关。
20.在本技术的目的之一是让scara机器人以最优的节拍走如图1所示的门型轨迹，首先可以将图1所示的门型轨迹拆分成几段小轨迹：
21.第一段：3轴从a点向上运动到b点，运动第一移动距离a，在该过程中，1轴、2轴以及4轴保持不动；
22.第二段：1轴、2轴以及4轴开始运动，3轴开始减速；
23.第三段：3轴到达最大抬起高度limz停止，1轴、2轴以及4轴继续运动；
24.第四段：3轴开始向下运动，1轴、2轴以及4轴减速；
25.第五段：3轴运动至c点，1轴、2轴以及4轴停止运动；
26.第六段：3轴运动至d点，运动第二移动距离b。
27.从上述可以看出，1轴、2轴以及4轴同步运动，因此可将1轴、2轴以及4看成一个整体，且将1轴、2轴以及4轴都称为旋转轴，同时将3轴称为直线轴。
28.结合图2，为了让机器人能够走上述的门型轨迹，本技术按照以下方法确定机器人行程门型轨迹：
29.s110：获取旋转轴的运动起点和运动终点以及直线轴的运动起点和运动终点。
30.s120：获取预设的直线轴的最大抬起高度limz、运动至旋转轴的启动时间点时直线轴的第一移动距离a，以及运动至旋转轴的停止时间点时直线轴所在位置距离直线轴的运动终点的第二移动距离b，其中，a≤limz，b≤limz。
31.s130：计算旋转轴从运动起点至运动终点的运动时长t1、计算直线轴运动至最大抬起高度limz的时长t2a、计算直线轴从最大抬起高度limz运动至直线轴的运动终点的时长t2b、计算直线轴运动第一移动距离a的运动时长ta、直线轴运动第二移动距离b的运动时长tb。
32.具体地，将1轴的始末点分别记为：j1s、j1e；将2轴的始末点分别记为：j2s、j2e；将3轴的始末点分别记为：j3s、j3e；将4轴的始末点分别记为：j4s、j4e。同时j1s、j1e、j2s、j2e、j3s、j3e、j4s、j4e、第一移动距离a、第二移动距离b以及最大抬起高度limz都是已知的。
33.首先根据已知的参数进行速度规划，能够得到1轴、2轴以及4轴的位移时长t1，即1轴、2轴以及4轴从b点运动到c点的时长，同时还能得到3轴运动至最大抬起高度limz的时长t2a，即3轴从a点至最大抬起高度limz的运动时长；计算3轴从最大抬起高度limz运动至3轴的运动终点的时长t2b，即3轴从最大抬起高度limz至d点的运动时长；以及3轴在第一移动距离a的运动时长ta，即3轴从a点至b点的运动时长；3轴在第二移动距离b的运动时长tb，即3轴从c点至d点的运动时长。
34.s140：计算时长t2a减去时长ta的差值，得到时长t3a；计算时长t2b减去时长tb的差值，得到时长t3b。
35.具体地，由于时长t2a是3轴从a点至最大抬起高度limz的运动时长、时长ta是3轴从a点至b点的运动时长，因此，时长t2a减去时长ta得到的差值，也就是3轴从b点至最大抬起高度limz的运动时长，记为时长t3a。同样的，t2b是3轴从最大抬起高度limz至d点的运动时长、tb是3轴从c点至d点的运动时长，因此，时长t2b减去时长tb得到的差值，也就是3轴从最大抬起高度limz至c点的运动时长，记为时长t3b。
36.s150：判断时长t3a与时长t3b之和是否小于或等于时长t1。
37.若判断结果为是，则执行步骤s160，若判断结果为否，则执行步骤s170。
38.s160：确定机器人在到达最大抬起高度limz后的静止时间，并确定机器人按照最
大抬起高度limz、第一移动距离a、第二移动距离b以及静止时间，形成目标轨迹。
39.s170：修改最大抬起高度limz的数值。
40.在步骤s170之后，返回执行步骤s130。
41.具体地，1轴、2轴以及4轴从b点运动至c点的过程中，存在3轴的两个运动阶段，分别是3轴从b点运动至最大抬起高度limz(在该阶段中，3轴从b点开始减速，当到达最大抬起高度limz时，3轴静止)、3轴从最大抬起高度limz运动至c点(在该阶段中，3轴从静止开始加速)，这两个运动阶段分别对应的时长为时长t3a和时长t3b。
42.其中，本技术为了优化机器人的运动节拍，设置在1轴、2轴以及4轴的运动过程中，3轴完成减速和加速运动，即保证3轴减速时长和加速时长之和不要超过1轴、2轴以及4轴的运动时长。而当检测到如果3轴减速时长和加速时长之和超过1轴、2轴以及4轴时，则重新修改最大抬起高度limz时，然后返回执行步骤s130，直至3轴减速时长和加速时长之和不超过1轴、2轴以及4轴的运动时长。
43.其中，可以采用多种方法修改大抬起高度limz的数值，以下介绍两种方法：
44.第一种方法：根据二分查找算法在最大抬起高度limz的备选数值范围中确定目标数值，并根据该目标数值重新计算时长t3a、时长t3b及时长t1，判断重新计算的时长t3a与时长t3b之和是否小于或等于时长t1，若t3a与t3b之和仍大于t1，则根据二分查找算法从该备选数值范围中再次确定目标数值，如此循环反复，直至所确定的目标数值能够使得时长t3a与时长t3b之和小于或等于时长t1为止。
45.第二种方法：对最大抬起高度limz的备选数值范围进行n等分，得到n个备选数值，并在该n个备选数值中确定目标数值。根据该目标数值重新计算时长t3a、时长t3b及时长t1，判断重新计算的时长t3a与时长t3b之和是否小于或等于时长t1，若t3a与t3b之和仍大于t1，则在该n个备选数值中再次确定新的目标数值，如此循环反复，直至所确定的目标数值能够使得时长t3a与时长t3b之和小于或等于时长t1为止。
46.其中，最大抬起高度limz的备选数值范围可以由用户设定，只要该备选数值范围中的数值大于或等于直线轴的第一移动距离a和第二移动距离b即可，即满足limz≥a，limz≥b。
47.其中，由于在规划上述门型轨迹时，将1轴、2轴以及4轴作为一个整体，3轴作为一个整体，因此在规划上述门型轨迹时，得到的是机器人在每个插补时刻的轴位置，即是基于轴空间进行轨迹规划。
48.而当机器人需要与运动的目标传送带保持同步时，目标传送带的位置均是基于笛卡尔空间，因此在机器人的轨迹为上述的门型轨迹时，为了让机器人与运动的目标传送带同步运动，参阅图3，本技术的方法还包括：
49.s210：在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置。
50.首先需要说明的是，本技术的轨迹规划方法不仅仅可以适用于上述的门型轨迹，还可以适用于其他任何一种类型的轨迹。
51.在初始插补时刻，在轴空间内对目标轨迹进行轨迹规划，得到在每个插补时刻，机器人的轴位置，其中，将此处的轴位置定义为第一轴位置。
52.其中，机器人在插补时刻的轴位置包括机器人的各个关节轴在该插补时刻的轴位
置。
53.s220：对目标插补时刻的第一轴位置进行机器人正解运算，得到第一笛卡尔位置。
54.具体地，对每个插补时刻都要执行步骤s220至步骤s260，但是在此将任意一个插补时刻作为目标插补时刻，以目标插补时刻为例，对接下来的步骤进行详细的说明：
55.其中，对目标插补时刻的第一轴位置进行机器人正解运算的具体过程属于现有技术，在此不做具体介绍。而在对目标插补时刻的第一轴位置进行机器人正解运算后，得到的位置为在笛卡尔空间下的坐标，其中，将该位置记为第一笛卡尔位置pc。
56.s230：获取目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的位置变换矩阵，其中，位置变换矩阵表征目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的转动。
57.具体地，位置变换矩阵表征目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的转动，而为了使机器人与目标传送带进行同步运动，需要对第一笛卡尔位置pc进行变换。
58.其中可以通过侦测目标传送带的转动角度，确定目标传送带在任意一个时刻的位置。也就是说，可以通过获取目标传送带的转动角度，确定目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的位置变换矩阵，例如在一应用场景中，获取目标传送带在初始插补时刻的初始位置，根据目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的转动角度，可以确定目标传送带在目标插补时刻的目标位置，根据目标位置以及初始位置，从而就可以确定目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的位置变换矩阵；又例如，在另一应用场景中，获取目标传送带在起始时刻(该起始时刻早于初始插补时刻)的初始位置，根据目标传送带从起始时刻到初始插补时刻的转动角度，可以确定目标传送带在初始插补时刻的第一目标位置，根据目标传送带从起始时刻到目标插补时刻的转动角度，可以确定目标传送带在目标插补时刻的第二目标位置，最终根据第一目标位置以及第二目标位置，可以确定目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的位置变换矩阵。
59.s240：根据第一笛卡尔位置以及位置变换矩阵，得到第二笛卡尔位置。
60.具体地，将第二笛卡尔位置记为pd，则pd＝t
×
pc，其中，t为步骤s230中确定的位置变换矩阵。
61.s250：对第二笛卡尔位置进行机器人逆解运算，得到第二轴位置。
62.具体地，进行机器人逆解运算的过程是进行机器人正解运算的相反过程，该过程属于现有技术，在此不做具体介绍。
63.s260：将第二轴位置确定为目标插补时刻的最终轴位置。
64.具体地，如果机器人需要与静止的目标传送带保持同步，则第一轴位置就是目标插补时刻机器人在轴空间的位置，也就是说，第一笛卡尔位置就是目标插补时刻，机器人在笛卡尔空间中的位置，但是为了与运动中的目标传送带保持同步，需要使目标插补时刻对应的插补点与目标传送带进行相同的运动，因此利用位置变换矩阵，计算出目标插补时刻对应的插补点在与目标传送带同步运动后的位置，即第二笛卡尔位置，最后再将第二笛卡尔位置转换到轴空间中去，得到第二轴位置，最后当到达目标插补时刻时，驱动机器人按照第二轴位置进行运动，实现机器人与目标传送带的同步运动。
65.从上述内容可以看出，本技术的过程可以分为三个阶段，第一阶段为将轴位置进行机器人正解运算，第二阶段为将正解运算的结果进行变换，第三阶段为将变换后的结果进行机器人逆解运算，从而可以实现轴空间与笛卡尔空间的同步运动。
66.参阅图4，图4是本技术轨迹规划装置一实施方式的结构示意图，该轨迹规划装置200包括处理器210、存储器220以及通信电路230，处理器210分别耦接存储器220、通信电路230，存储器220中存储有程序数据，处理器210通过执行存储器220内的程序数据以实现上述任一项实施方式方法中的步骤，其中详细的步骤可参见上述实施方式，在此不再赘述。
67.其中，轨迹规划装置200可以是计算机、机器人控制柜或者机器人等任一项具有算法处理能力的装置，在此不做限制。
68.参阅图5，图5是本技术轨迹规划装置另一实施方式的结构示意图。该轨迹规划装置300包括依次连接的规划模块310、正解模块320、获取模块330、变换模块340、逆解模块350以及确定模块360。
69.规划模块310用于在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置。
70.正解模块320用于对目标插补时刻的第一轴位置进行机器人正解运算，得到第一笛卡尔位置。
71.获取模块330用于获取目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的位置变换矩阵，其中，位置变换矩阵表征目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的转动。
72.变换模块340用于根据第一笛卡尔位置以及位置变换矩阵，得到第二笛卡尔位置。
73.逆解模块350用于对第二笛卡尔位置进行机器人逆解运算，得到第二轴位置。
74.确定模块360用于将第二轴位置确定为目标插补时刻的最终轴位置。
75.其中，轨迹规划装置300可以是计算机、机器人控制柜或者机器人等任一项具有算法处理能力的装置，在此不做限制。
76.其中，轨迹规划装置300在工作时执行上述任一项实施方式中的方法步骤，详细的方法步骤可参见上述相关内容，在此不再赘述。
77.参阅图6，图6是本技术计算机可读存储介质一实施方式的结构示意图。该计算机可读存储介质400存储有计算机程序410，计算机程序410能够被处理器执行以实现上述任一项方法中的步骤。
78.其中，计算机可读存储介质400具体可以为u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等可以存储计算机程序410的装置，或者也可以为存储有该计算机程序410的服务器，该服务器可将存储的计算机程序410发送给其他设备运行，或者也可以自运行该存储的计算机程序410。
79.以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置；对目标插补时刻的所述第一轴位置进行机器人正解运算，得到第一笛卡尔位置；获取目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的位置变换矩阵，其中，所述位置变换矩阵表征所述目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的转动；根据所述第一笛卡尔位置以及所述位置变换矩阵，得到第二笛卡尔位置；对所述第二笛卡尔位置进行机器人逆解运算，得到第二轴位置；将所述第二轴位置确定为所述目标插补时刻的最终轴位置。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的位置变换矩阵的步骤，包括：获取所述目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的转动角度；根据所述转动角度，确定所述位置变换矩阵。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标轨迹为门型轨迹。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述机器人包括旋转轴以及直线轴，在所述在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置之前，还包括：获取所述旋转轴的运动起点和运动终点以及所述直线轴的运动起点和运动终点；获取预设的所述直线轴的最大抬起高度limz、运动至所述旋转轴的启动时间点时所述直线轴的第一移动距离a，以及运动至所述旋转轴的停止时间点时所述直线轴所在位置距离所述直线轴的运动终点的第二移动距离b，其中，a≤limz，b≤limz；计算所述旋转轴从运动起点至运动终点的运动时长t1、计算所述直线轴运动至所述最大抬起高度limz的时长t2a、计算所述直线轴从所述最大抬起高度limz运动至所述直线轴的运动终点的时长t2b、计算所述直线轴运动所述第一移动距离a的运动时长ta、所述直线轴运动所述第二移动距离b的运动时长tb；计算所述时长t2a减去所述时长ta的差值，得到时长t3a；计算所述时长t2b减去所述时长tb的差值，得到时长t3b；判断所述时长t3a与所述时长t3b之和是否小于或等于所述时长t1；若是，则确定所述机器人在到达所述最大抬起高度limz后的静止时间，并确定所述机器人按照所述最大抬起高度limz、所述第一移动距离a、所述第二移动距离b以及所述静止时间，形成所述目标轨迹；若否，则修改所述最大抬起高度limz的数值，以使得所述时长t3a与所述时长t3b之和小于或等于所述时长t1。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述修改所述最大抬起高度limz的数值，包括：根据二分查找算法在所述最大抬起高度limz的备选数值范围中确定目标数值，所确定的目标数值使得所述时长t3a与所述时长t3b之和小于或等于所述时长t1。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述修改所述最大抬起高度limz的数值，包括：对所述最大抬起高度limz的备选数值范围进行n等分，得到n个备选数值，并在所述n个
备选数值中确定目标数值，所确定的目标数值使得所述时长t3a与所述时长t3b之和小于或等于所述时长t1，其中n为大于1的正整数。7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述机器人为scara机器人，所述旋转轴的数量为三个。8.一种轨迹规划装置，其特征在于，所述轨迹规划装置包括：规划模块，用于在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置；正解模块，与所述规划模块连接，用于对目标插补时刻的所述第一轴位置进行机器人正解运算，得到第一笛卡尔位置；获取模块，与所述正解模块连接，用于获取目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的位置变换矩阵，其中，所述位置变换矩阵表征所述目标传送带从所述初始插补时刻到所述目标插补时刻的转动；变换模块，与所述获取模块连接，用于根据所述第一笛卡尔位置以及所述位置变换矩阵，得到第二笛卡尔位置；逆解模块，与所述变换模块连接，用于对所述第二笛卡尔位置进行机器人逆解运算，得到第二轴位置；确定模块，与所述逆解模块连接，用于将所述第二轴位置确定为所述目标插补时刻的最终轴位置。9.一种轨迹规划装置，其特征在于，所述轨迹规划装置包括处理器、存储器以及通信电路，所述处理器分别耦接所述存储器、所述通信电路，所述存储器中存储有程序数据，所述处理器通过执行所述存储器内的所述程序数据以实现如权利要求1-7任一项所述方法中的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序能够被处理器执行以实现如权利要求1-7任一项所述方法中的步骤。

技术总结
本申请公开了一种轨迹规划方法、装置及计算机可读存储介质，该轨迹规划方法包括：在初始插补时刻对目标轨迹进行规划，得到机器人在每个插补时刻的第一轴位置；对目标插补时刻的第一轴位置进行机器人正解运算，得到第一笛卡尔位置；获取目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的位置变换矩阵，其中，位置变换矩阵表征目标传送带从初始插补时刻到目标插补时刻的转动；根据第一笛卡尔位置以及位置变换矩阵，得到第二笛卡尔位置；对第二笛卡尔位置进行机器人逆解运算，得到第二轴位置；将第二轴位置确定为目标插补时刻的最终轴位置。本申请所提供的方法能够实现机器人与目标传送带的同步运动。同步运动。同步运动。


技术研发人员：张志明
受保护的技术使用者：安徽省配天机器人集团有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/8/14