(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210650937.8 (22)申请日 2022.06.09 (71)申请人 郑州大学 地址 450000 河南省郑州市高新 技术开发 区科学大道100号 (72)发明人 徐一村　程磊　姬玉杰　王浩南　 孙宏伟　刘超　张本顺　 (74)专利代理 机构 宁波海曙甬睿专利代理事务 所(普通合伙) 33330 专利代理师 王洋 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 11/00(2006.01) B23K 37/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于逆解多目标优化的焊接机器人笛 卡尔空间轨 迹规划方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于逆解多目标优化的 焊接机器人笛卡尔空间轨迹规划方法， 包括步骤 1至步骤6， 还包括逆解多目标优化和最优解选取 约束设定过程。 本发明提出了逆解多目标优化方 法， 该方法综合考虑焊接机器人的结构尺寸和工 作状况， 优于传统的运动插补并利用matlab进行 仿真； 本发 明的轨迹规划方法提高了逆解优化原 则的全面性， 并在一定程度上提高焊接机器人的 运行刚度， 同时将其和S型加减速曲线位置插补、 基于单位四元数球面线性方法的姿态插补相结 合， 保证了焊接机机器人在完成预期轨迹的同 时， 末端轨迹、 速度、 加速度曲线、 姿态曲线以及 各关节位移变化曲线连续平滑， 无突变， 从而提 高焊接机器人工作时候的平稳性。 权利要求书5页 说明书11页 附图6页 CN 115213898 A 2022.10.21 CN 115213898 A 1.一种基于逆解多目标优化的焊接机器人笛卡尔空间轨迹规划方法， 其特征在于， 包 括： 步骤1、 根据改进D ‑H参数法建立焊接 机器人的运动学模型； 步骤2、 机器人末端轨迹是根据将焊缝轨迹离散化得到的一系列轨迹点， 利用插值算法 得到的， 因此将某端轨迹等价为有限个轨迹点考虑， 由于焊接机器人为6自由串联的机器 人， 且后轴交于一 点， 利用解析法， 进行逆解计算得 出8组关节变量； 步骤3、 约束其8组关节变量应在各个关节的角度极限范围之内； 步骤4、 针对以往逆解优化原则不全面， 未考虑机器人的结构尺寸以及机器人实际工 况； 结合机器人结构尺寸和工作情况， 设定运行刚度指标ksg以及改进的关节转动引起后 续 连杆移动空间范围性 能指标Sgj， 将两者与 “关节位移最小 ”原则结合， 设定逆解多目标优化 指标为ω： 步骤5、 基于S型加减速曲线的圆弧插补； 步骤6、 通过matlab 进行仿真， 得出相关数据， 主要分析 圆弧轨迹， 可知保证了焊接机器 人末端轨 迹、 速度、 加速度、 姿态曲线的平稳性。 2.根据权利要求1所述的一种基于逆解多目标优化的焊接机器人笛卡尔空间轨迹规划 方法， 其特 征在于： 步骤4的 中； 其中p为两个影响指标的权重 大小， θj为当前关节角度， θi,j为该轨迹点第i组第j个关节 变量。 3.根据权利要求1所述的一种基于逆解多目标优化的焊接机器人笛卡尔空间轨迹规划 方法， 其特 征在于： 步骤5包括如下步骤： 步骤S1、 通过设定Tk＝tk‑tk‑1(k＝1,...,7)， 表示各个阶段时间， 此外引入变量τ， 设τk ＝t‑tk‑1， 作为以各个时间段起始时间为零点的相对时间， 同时设定J为加加速、 减减速阶段 的加加速度； 设定amax为最大加速度， vmax为最大速度， vs为初始速度， v1为初始速度； 同时T1 ＝T3＝T5＝T7、 T2＝T6， 通过对每个过程进行分析， 可以得到各个时间段的加速度函数、 速度 函数、 位移函数； 确定每个阶段的运行时间， 需设定S型曲线的位移、 起止速度、 最大速度、 最大加速度、 加加速度， 每 个阶段的运行时间如下公式： 权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115213898 A 2归一化时间l(t)算子在插补运动中起到了调整步长的作用， 归一化时间算子 其中S(t)为S型加减速曲线的随时间变化的位移， L 为起止点的距离； 步骤S2、 焊接机器人常规的焊缝形状， 在笛卡尔空间下对焊接机器人进行圆弧轨迹规 划； 提取直线焊缝， 确定末端轨迹起始点p0(x0， y0， z0)和终止点pn(xn， yn， zn)的坐标； 将 基于 S型加减速曲线的归一 化时间算子作为插补步长， 则第i个插值 点的坐标pi(xi， yi， zi)则为： 提取圆弧焊缝， 设定圆弧起止点坐标分别为p1(x1,y1,z1)、 p3(x3,y3,z3),中间点p2(x2, y2,z2),根据空间圆弧的构建方法， 确定坐标系{C}和坐标系 {B}之间的转换矩阵 离散出 圆弧焊缝的各点 坐标： xic＝r·cos(l(i)·dir·θ13) yic＝r·sin(l(i)·dir·θ13) zic＝0 设定焊缝起止点的姿态矩阵， 求出其对应的四元数 q1、 q2， 根据球面线性插补SLERP方法 和归一化时间算子l(t)， 进型姿态的插补 如下公式所示： 4.根据权利要求3所述的一种基于逆解多目标优化的焊接机器人笛卡尔空间轨迹规划 方法， 其特征在于： 步骤S1中各个时间段的加速度函数、 速度函数、 位移函数的公式分别如 下： 权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115213898 A 3