专利名称：视觉引导的机器人关节空间b样条轨迹规划方法
技术领域：
本发明涉及一种B样条轨迹规划方法，尤其是一种视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，属于机器人关节空间轨迹规划的技术领域。
背景技术：
自1962年第一台工业机器人应用于General Motor公司的生产线以来,机器人技术不断发展、完善和成熟，目前已广泛应用于制造业、服务业、娱乐业、科学探索、医学、军事和航天等各个领域。工业机器人可以代替人类完成大量高质量要求的工作，如汽车制造，电产品制造，工及食品包装，物料的搬运等。汽车制造业利用机器人在汽车自动化生产线完成焊接、喷漆、装配等工作。在服务业中，各种服务用智能机器人如导游机器人、护士助手、步行功能训练机器人、导盲机器人等已逐步进入市场。21世纪的服务用智能机器人除了可以为家庭从事简单的家务劳动和健康护理工作外，还可以从事一些劳动强度大，工作重复性强的工作，如环境保护、打扫以及公共交通服务等。在医学方面机器人主要作为医疗设备辅助医生和医务工作者从事医疗、诊断、医学研究和教学。如远程手术机器人、医用微型机器人等。机器人在军事领域的应用包括代替士兵执行拆除炸弹、扫雷、侦察和攻击等各种任务。20世纪70年代，美国率先提出了再宇宙空间利用机器人系统的概念，旨在通过机器人的应用进行设备的组装、回收、维修，以及在极其恶劣的空间环境下完成一些人类难以完成的舱外活动。目前，空间机器人研究只要集中在卫星、航天飞机以及国际空间站上使用的空间机器人。目前，国内外机器人路径规划大体可以分为三类人工示教、离线编程和自主示教。在结构化环境下，目标轨迹的几何形状和位置以及它的周围环境是已知的，可以利用计算机的离线编程技术进行路径规划；而对于复杂路径和非结构化环境下的轨迹，仍然采用现场人工示教的方法进行路径规划，这是目前应用最多的方法。示教方式虽然操作简单、重复性好，避免了复杂的离线编程，但是它存在示教工作繁重、轨迹跟踪精度低、无法应对过程中可能发生的变法等缺点。随着机器人智能化水平的不断提高和机器视觉技术的日益成熟，人们开始研究以视觉测量信息作为反馈，由计算机控制机器人进行路径规划的自主示教。机器人关节空间轨迹规划是机器人轨迹跟踪的基础，传统的在人工示教下采用B样条方法规划关节空间轨迹，能够保证运动连续平滑；但是在自主示教方式下，示教点是通过视觉传感器动态获得的，传统的样条规划方法无法解决。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，其操作方便，实现机器人在视觉引导下的平滑运动，提高机器人轨 迹跟踪的精度。按照本发明提供的技术方案，所述视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，所述机器人关节空间B样条轨迹规划方法包括如下步骤
第一步、在立体支架内安装二自由度机器人，所述二自由度机器人能在立体支架内运动；在立体支架的前端采用全局方式安装工业相机，立体支架内设置传送带，传送带的运动方向垂直于二自由度机器人的运动平面；在工业相机所在的位置建立相机坐标系，二自由度机器人邻近传送带的端部建立机器人末端工具坐标系；第二步、传送带在立体支架内运动，通过工业相机获取传送带上的轨迹点；在工业相机获取到传送带上第一个轨迹点后，驱动二自由度机器人运动到所述获取第一个轨迹点；在二自由度机器人运到第一个轨迹点的时间内，同时工业相机继续获取传送带的轨迹点；根据工业相机的采样频率、传送带运动的线速度及相机坐标系与机器人末端工具坐标系之间的纵向距离，并对工业相机获取的轨迹点进行逆运算，得到若干关节时间节点序列，以构造B样条曲线；第三步、二自由度机器人依照上述构造的B样条曲线运动，工业相机继续获取传送带上的轨迹点，并对所述轨迹点进行逆运算，得到增加的关节位置点；采用增加节点向量 和控制顶点的方式来延长上述构造的B样条曲线，以使得B样条曲线经过增加的关节位置占.第四步、根据上述得到的B样条曲线，采用德布尔递推算法计算B样条曲线上的位置点，所述位置点作为伺服位置闭环控制的位置输入，以驱动二自由度机器人运动，直至二自由度机器人运动终止。所述第二步包括如下步骤2. I、在确认工业相机得到传送带上的第一个轨迹点时，控制二自由度机器人以点到点的方式运行到上述第一个轨迹点；在二自由度机器人运动到第一个轨迹点的时间内，对工业相机提取的传送带的轨迹点进行逆运算，得到关节时间节点序列{Pi，tji =O, 1，…，n，其中Pi为关节角度矢量，\为时间节点矢量，η为关节时间节点序列的数量；2. 2、根据关节时间节点序列(Pi, tj i = O, I,…，η,利用CNd=p方程计算B样条曲线的控制顶点；其中，Cn表示，d表示控制顶点向量，P表示关节位置点向量；2. 3、根据上述得到的关节时间节点序列(Pi, tj i = O, I, ···，!!及控制顶点向量d,构造B样条曲线，得到= X ",Λ,,' .⑷，"e [",，",+ K···,i;
j=i-k其中，dj是控制顶点，Nlk(U)为k次规范B样条基函数，k表示B样条次数，i表示B样条序号，Ui表示节点向量为非递减序列；P(u)表示样条曲线，u表示样条节点值。所述第三步中增加的关节位置点为{p” tj ( τ =η+1, η+2, ···)，其中η为关节时间节点序列的数量；根据增加的关节位置点计算得到增加的控制顶点，得到
—dT '[Nrk (ur+k ), Nr+hk (ur+k ),···, Nr+k_hk (uT+k )]=fr
/r+A-l_其中，q,表示增加关节位置点的关节角度向量。所述德布尔递推算法的递推公式为
权利要求
1.一种视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，其特征是，所述机器人关节空间B样条轨迹规划方法包括如下步骤 第一步、在立体支架(130)内安装二自由度机器人(110)，所述二自由度机器人(110)能在立体支架(130)内运动；在立体支架(130)的前端采用全局方式安装工业相机(100)，立体支架(130)内设置传送带(120)，传送带(120)的运动方向垂直于二自由度机器人(110)的运动平面；在工业相机(100)所在的位置建立相机坐标系，二自由度机器人(I 10)邻近传送带(120)的端部建立机器人末端工具坐标系； 第二步、传送带(120)在立体支架(130 )内运动，通过工业相机(100 )获取传送带(120)上的轨迹点；在工业相机(100)获取到传送带(120)上第一个轨迹点后，驱动二自由度机器人(110)运动到所述获取第一个轨迹点；在二自由度机器人(110)运到第一个轨迹点的时间内，同时工业相机(100)继续获取传送带(120)的轨迹点；根据工业相机(100)的采样频率、传送带(120)运动的线速度及相机坐标系与机器人末端工具坐标系之间的纵向距离，并对工业相机(100)获取的轨迹点进行逆运算，得到若干关节时间节点序列，以构造B样条曲线. 第三步、二自由度机器人(110)依照上述构造的B样条曲线运动，工业相机(100)继续获取传送带(120)上的轨迹点，并对所述轨迹点进行逆运算，得到增加的关节位置点；采用增加节点向量和控制顶点的方式来延长上述构造的B样条曲线，以使得B样条曲线经过增加的关节位置点； 第四步、根据上述得到的B样条曲线，采用德布尔递推算法计算B样条曲线上的位置点，所述位置点作为伺服位置闭环控制的位置输入，以驱动二自由度机器人(110)运动，直至二自由度机器人(110)运动终止。
2.根据权利要求I所述的视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，其特征是，所述第二步包括如下步骤 (2. I)、在确认工业相机(100)得到传送带(120)上的第一个轨迹点时，控制二自由度机器人(110)以点到点的方式运行到上述第一个轨迹点；在二自由度机器人(110)运动到第一个轨迹点的时间内，对工业相机(100)提取的传送带(120)的轨迹点进行逆运算，得到关节时间节点序列{p” tj i = 0, I,…，n，其中Pi为关节角度矢量，h为时间节点矢量，n为关节时间节点序列的数量； (2. 2)、根据关节时间节点序列(Pi, tj i = 0, I,…，n,利用CNd = p方程计算B样条曲线的控制顶点；其中，Cn表示，d表示控制顶点向量，p表示关节位置点向量； (2. 3)、根据上述得到的关节时间节点序列{p” tj i = 0, I,…，n及控制顶点向量d,构造B样条曲线，得到 7>(〃) = Z d iN 丨ii g二免+; M-k 其中，dj是控制顶点,Nj,k (u)为k次规范B样条基函数，k表示B样条次数,i表示B样条序号，Ui表示节点向量为非递减序列；P(u)表示样条曲线，u表示样条节点值。
3.根据权利要求2所述的视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，其特征是，所述第三步中增加的关节位置点为{pT, tT} ( T =n+l, n+2,…)，其中n为关节时间节点序列的数量；根据增加的关节位置点计算得到增加的控制顶点，得到
4.根据权利要求I所述的视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，其特征是所述德布尔递推算法的递推公式为
全文摘要
本发明涉及一种视觉引导的机器人关节空间B样条轨迹规划方法，其包括如下步骤第一步、在立体支架内安装二自由度机器人，在前端安装工业相机，传送带的运动方向垂直于二自由度机器人的运动平面；第二步、在工业相机获取到传送带上第一个轨迹点后，并在二自由度机器人运动到第一个轨迹点的时间内，根据得到若干关节时间节点序列，以构造B样条曲线；第三步、采用增加节点向量和控制顶点的方式来延长上述构造的B样条曲线，以使得B样条曲线经过增加的关节位置点；第四步、采用德布尔递推算法计算B样条曲线上的位置点，以驱动二自由度机器人运动。本发明实现机器人在视觉引导下的平滑运动，提高机器人轨迹跟踪的精度。
文档编号B25J9/16GK102794767SQ20121031974
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者白瑞林, 肖文皓, 吉峰, 许凡 申请人:江南大学, 无锡信捷电气有限公司