机器人姿态轨迹规划方法、装置、设备及存储介质与流程

本技术涉及机器人控制，特别涉及一种机器人姿态轨迹规划方法、机器人姿态轨迹规划装置、计算机设备以及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、光滑运动轨迹生成是机器人在笛卡尔空间进行高精度任务的前提。机器人在执行笛卡尔空间任务时，运动路径指令通常采用仅g0连续的线性格式路径定义。为了获得连续、不停顿运动，必须对原始线性格式的位置和姿态路径分别进行平滑过渡。位置路径平滑过渡研究比较成熟。然而姿态路径定义在特殊正交群上，平滑过渡轨迹生成则比较困难。因此解决平滑过渡轨迹的生成就成为了亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种机器人姿态轨迹规划方法、机器人姿态轨迹规划装置、计算机设备以及计算机可读存储介质。

2、本技术提供一种机器人姿态轨迹规划方法，包括：

3、向多个由单位四元数路点构成的大圆弧轨迹之间插入单位四元数过渡样条曲线，确定初始规划轨迹，其中所述大圆弧轨迹为路径段轨迹，所述过渡样条曲线为过渡段轨迹；

4、根据预设参量，确定所述过渡段轨迹的最大允许速度；

5、根据所述路径段轨迹的弧长以及所述最大允许速度，确定所述初始规划轨迹上的速度-时间关系；

6、根据所述速度-时间关系与曲线参数映射关系，对所述初始规划轨迹进行实时参数插补，生成目标规划轨迹。

7、如此，本技术通过向大圆弧轨迹间插入过渡样条曲线并对大圆弧轨迹与过渡曲线共同构成一个初始规划轨迹，并对初始规划轨迹的各项参数进行确定，最终形成符合要求的目标规划轨迹。按照上述方法生成的目标规划轨迹能够同时满足各预设参量对轨迹的约束，使机器人的姿态轨迹的光滑程度得到了充分保证。同时本技术降低了过渡段的速度波动，保证了轨迹上的运动完全符合相关运动参量的要求，而且插补点的生成过程简单直接，根据前述步骤的各个参数直接可以得到满足预设参量要求的插补结果，有效降低了计算繁琐度。

8、在某些实施方式中，所述向多个由单位四元数路点构成的大圆弧轨迹之间插入单位四元数过渡样条曲线，确定初始规划轨迹，包括：

9、向多个由单位四元数路点构成的大圆弧轨迹之间插入g2连续或g3连续的单位四元数过渡样条曲线，确定初始规划轨迹。

10、如此，本技术对插入的过渡样条曲线的连续性提出了限制条件。

11、在某些实施方式中，所述根据预设参量，确定所述过渡段轨迹的最大允许速度，包括：

12、根据预设的最大角速度、最大角加速度、最大角跃度，确定所述最大允许速度。

13、如此，本技术提供了预设参量具体包括的参量种类。

14、在某些实施方式中，所述根据预设的最大角速度、最大角加速度、最大角跃度，确定所述最大允许速度，遵循如下公式：

15、

16、其中：

17、ωm为所述最大角速度、am为所述角加速度、jm为所述角跃度，vr为所述最大允许速度；qb，s表示过渡段单位四元数样条曲线qb对所述过渡段路径弧长参数s的一阶导数，表示过渡段单位四元数样条曲线qb对所述过渡段路径弧长参数s的二阶导数，表示过渡段单位四元数样条曲线qb对其弧长参数s的三阶导数；

18、uam与ujm分别为与取极大值时的曲线参数值；()*表示四元数共轭运算，|| ||表示取四元数模长运算。

19、如此，本技术提供了根据预设参量确定最大允许速度的方法。

20、在某些实施方式中，所述根据所述路径段轨迹的弧长以及所述最大允许速度，确定所述初始规划轨迹上的速度-时间关系，包括：

21、计算确定各所述路径段轨迹的弧长；

22、根据所述最大允许速度，确定各所述路径段轨迹以及各所述过渡段轨迹的初始边界速度；

23、根据各所述路径段轨迹的弧长，确定所述初始规划轨迹上的速度-时间关系。

24、如此，本技术提供了确定初始规划轨迹上的速度-时间关系的方法。

25、在某些实施方式中，所述根据各所述路径段轨迹的弧长，确定各所述路径段上的速度-时间关系，包括：

26、在所述过渡段轨迹为g2连续的过渡样条曲线的情况下，以各所述路径段轨迹的弧长为运动位移，经跃度有界的速度规划法，确定所述初始规划轨迹上的速度-时间关系；

27、在所述过渡段轨迹为g3连续的过渡样条曲线的情况下，以各所述路径段轨迹的弧长为运动位移，经跃度有界且连续的速度规划法，确定所述初始规划轨迹上的速度-时间关系。

28、如此，本技术提供了在面对采用不同程度的连续的过渡样条曲线的情况下确定初始规划路径速度-时间关系的不同方法。

29、在某些实施方式中，所述根据所述速度-时间关系与曲线参数映射关系，对所述初始规划轨迹进行实时参数插补，生成目标规划轨迹，包括：

30、根据所述速度-时间关系，确定所述初始规划轨迹的长度以及所述过渡段轨迹的弧长；

31、在插补点在所述路径段轨迹上的情况下，根据所述弧长与所述曲线参数的线性映射关系确定所述插补点的位置；

32、在插补点在所述过渡段轨迹上的情况下，根据所述弧长与所述曲线参数的解析映射关系确定所述曲线参数以及所述插补点的位置；

33、根据所述初始规划轨迹以及所述插补点的位置，生成所述目标规划轨迹。

34、如此，本技术提供了对路径段轨迹进行实时参数插补以及生成目标规划轨迹的方法。

35、在某些实施方式中，所述在插补点在所述路径段轨迹上的情况下，根据所述弧长与所述曲线参数的线性映射关系确定所述曲线参数以及所述插补点的位置，包括：

36、所述插补点的位置计算遵循如下公式：

37、

38、其中：

39、式中，c(its)表示第its时刻的所述插补点的位置，bk-1，4，bk，0分别为当前路径段轨迹的始末端点，θck为当前路径段轨迹的圆心角，s(its)为第its时刻的在所述路径段轨迹内的运动位移，ts表示插补周期。

40、如此，本技术提供了确定位于路径段轨迹上的插补点位置的具体方法。

41、在某些实施方式中，所述在插补点在所述过渡段轨迹上的情况下，根据所述弧长与所述曲线参数的解析映射关系确定所述曲线参数以及所述插补点的位置，包括：

42、确定所述弧长在任意时刻的弧长增量；

43、根据任意时刻的所述弧长增量以及所述解析映射关系，确定任意时刻的所述曲线参数；

44、根据所述曲线参数，确定所述插补点的位置。

45、如此，本技术提供了确定过渡段轨迹曲线参数以及位于过渡段轨迹上的插补点位置的方法。

46、在某些实施方式中，所述根据任意时刻的所述弧长增量以及所述解析映射关系，确定任意时刻的所述曲线参数，遵循如下公式：

47、cos(δsi)＝qbk(ui-1)tqbk(ui)，

48、其中：

49、ui表示第its时刻的过渡段单位四元数样条qbk(u)的所述曲线参数u(its)，δsi表示第its时刻的所述弧长增量。

50、如此，本技术提供了确定曲线参数的方法。

51、在某些实施方式中，所述根据任意时刻的所述弧长增量以及所述解析映射关系，确定任意时刻的所述曲线参数，遵循如下公式：

52、

53、当偏差小于给定误差值时终止迭代，并令

54、其中：

55、ui-1表示第(i-1)ts时刻过渡段轨迹qbk(u)的曲线参数u((i-1)ts)，表示第l次迭代的曲线参数中间值，qbk，u表示qbk(u)关于曲线参数u的一阶导数，δsi第its时刻的所述弧长增量。

56、如此，本技术提供了另一种确定曲线参数的方法。

57、在某些实施方式中，所述根据任意时刻的所述弧长增量以及所述解析映射关系，确定任意时刻的所述曲线参数，遵循如下公式：

58、

59、其中，

60、ui表示第its时刻的过渡段轨迹qbk(u)的曲线参数u(its)，ui-1表示第(i-1)ts时刻的过渡段轨迹qbk(u)的曲线参数u((i-1)ts)，δsi表示第its时刻的弧长增量。

61、如此，本技术提供了另一种确定曲线参数的方法。

62、在某些实施方式中，所述根据所述曲线参数，确定所述插补点的位置，遵循如下公式：

63、c(its)＝qbk(u(its))，

64、其中，c(its)表示第its时刻的所述插补点的位置，u(its)表示第its时刻的所述曲线参数，qbk表示所述过渡段轨迹的曲线方程。

65、如此，本技术提供了确定位于过渡段轨迹上的插补点位置的具体方法。

66、本技术的一种机器人姿态轨迹规划装置，包括：

67、初始规划模块，用于向多个由单位四元数路点构成的大圆弧轨迹之间插入单位四元数过渡样条曲线，确定初始规划轨迹；

68、速度评估模块，用于根据预设参量，确定所述过渡段轨迹的最大允许速度；

69、速度规划模块，用于根据路径段轨迹的弧长以及所述最大允许速度，确定所述初始规划轨迹上的速度-时间关系；

70、轨迹生成模块，用于根据所述速度-时间关系与曲线参数映射关系，对所述初始规划轨迹进行实时参数插补，生成目标规划轨迹。

71、本技术的计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的方法。

72、本技术的计算机可读存储介质，存储有计算机程序，当所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现上述的方法。

73、本技术的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实施方式的实践了解到。