工业机器人的轨迹规划和控制
S. R. Munasinghe and Masatoshi Nakamura
1.简介
工业机器人操作臂被用在各种应用中来实现快速、精确和高质量的生产。在抓取和放置操作，比如对部分的操作，聚合等，操作臂的末端只执行器必须在工作空间中两个特定的位置之间移动，而它在两者之间的路径却不被关心。在路径追踪应用中，比如焊接，切削，喷涂等等，末端操作器必须在尽可能保持额定的速度下，在三维空间中遵循特定的轨迹运动。在后面的事例中，在对末端操作器的速度、节点加速度、轨迹有误等限订的情况下轨迹规划可能会很复杂。在没有对这些限制进行充分考虑的情况下进行轨迹规划，通常会得到很差的表现,比如轨迹超调，末端操作器偏离给定轨迹，过度的速度波动等。机器人在笛卡尔轨迹中的急弯处的的表现可能会更加恶化。到目前为止很多轨迹规划算法己经被提出，从笛卡尔轨迹规划到时间最优轨迹规划。然而，工业系统无法适应大多数的这些方法，有以下两点原因：（1）这些技术经常需要进行在目前机构中进行硬件的移动，生产过程必须被打断以进行系统重新配置，而这往往需要很长时间。（2）这些方法中很多通常只考虑到一种约束，而很少关注工业的需求和被请求的实际的约束。因此，它们很难在工业中实现。
在本文的观点中，我们提出了一种新的轨迹规划算法，考虑到了末端操作器的速度限制，节点加速度限制，应用中的容错度。这些是在工业应用中实际的约束。其他工业操作臂中的技术问题是他们的动力学延迟，这导致末端操作臂在轨迹中的拐角处出轨。为了补救这个问题，我们设计了前向补偿，稍稍改变了拐角处的路径，使得即使在延迟动力学环节存在的情况下依然确保末端操作臂的实际跟踪轨迹。结合了前向补偿新的轨迹规划算法在控制系统中表现为单一的前向阻塞。它可以轻松地适应目前的工业操作臂系统，不冒风险，不花费时间重新配置硬件。
轨迹规划算法可以为所有操作臂的节点产生位置，速度和加速度的大体规划。在大多数工业操作臂中，系统输入是节点的位置数据，这在工业中是作为被给定的数据而广为人知的。为了用笛卡尔轨迹规划来控制操作臂，Paul描述了同类型的转换是怎样可以被用来代表一系列操作臂连杆的位置和原点的。Shin et.al.的工作和我们的很相似，但是实现在工业控制系统中的应用是很困难的，因为它需要知道很多操作臂的连杆和节点的参数。在大多数工业操作比系统中，这些参量并不能被精确的获知。
机器人轨迹规划算法研究及其在自动化生产中的应用
近年来，随着工业自动化的快速发展，机器人已经得到了广泛的应用，无论在工业、医疗、军事等领域，都悄然地融入了人们的日常生活之中。而机器人轨迹规划算法则是机器人技术中的一个重要组成部分，是实现机器人自主控制的基础。本文将从机器人的轨迹规划算法入手，探讨其研究现状以及在自动化生产中的应用。
1、机器人轨迹规划算法概述
机器人轨迹规划算法，顾名思义即是为机器人制定轨迹。其目标是在预设的约束条件下，最小化机器人的路径和能耗，以及确保轨迹的安全和稳定。为了实现机器人的自主运动，轨迹规划算法主要分为全局规划和局部规划两种。
全局规划：是指在环境中搜索一条全局最优的路径来达到目标点。全局规划通常需要全局地搜索，需要运算大量的计算量，适用于较为静态的环境下，但对于动态的环境效果不佳。
局部规划：是对当前机器人的位置、朝向和速度等信息进行分析，根据环境中的动态障碍物和目标位置，确定机器人移动的方向和速度，以适应当前环境所要求的轨迹。局部规划可以适应动态环境，但也需要在局部范围内进行规划，需要不断的更新。
2、机器人轨迹规划算法的研究现状
目前，机器人轨迹规划算法的研究主要集中在基于随机搜索和优化算法的全局规划和基于局部可行性的局部规划。 全局规划方面，Dijkstra算法被广泛应用，该算法已成为全局规划的基础算法之一。同时，A*算法、D*算法、RRT算法等也在不断的发展中。这些算法通过对预设的目标点和障碍物的地图进行优化、实现机器人在环境中高效且安全地移动。
而局部规划方面，ROS 中 move_base库实现了大部分机器人轨迹规划功能。该库是基于DWA算法的局部规划方案，可以实现机器人对于环境的快速响应，以保持安全、稳定的轨迹。
3、机器人轨迹规划在自动化生产中的应用
机器人技术已广泛应用于自动化生产中。目前，机器人轨迹规划技术已成为提高生产效率和质量的关键技术之一，其在自动化生产中的应用具有以下优点：
工业机器人技术应用基础知识单选题100道及答案解析
1. 工业机器人的定义是一种能够（ ）执行任务的自动化设备。
A. 自动 B. 半自动 C. 人工辅助 D. 随机
答案：A。解析：工业机器人的重要特征就是能够自动执行任务，无需人工持续干预。
2. 工业机器人通常由（ ）部分组成。
A. 2 B. 3 C. 4 D. 5
答案：B。解析：一般由机械部分、控制部分和驱动部分三部分组成。
3. 工业机器人的机械部分主要用于实现机器人的（ ）。
A. 控制功能 B. 运动功能 C. 感知功能 D. 决策功能
答案：B。解析：机械部分负责机器人的实际运动。
4. 工业机器人控制系统的核心是（ ）。
A. 传感器 B. 控制器 C. 执行器 D. 驱动器
答案：B。解析：控制器是控制系统的核心，负责指挥和协调机器人的动作。
5. 以下哪种驱动方式常用于工业机器人的关节驱动？（ ）
A. 液压驱动 B. 气压驱动 C. 电动驱动 D. 以上都是
答案：D。解析：液压、气压和电动驱动都可用于工业机器人关节驱动，各有其特点和适用场景。
6. 工业机器人的工作空间是指机器人（ ）所能达到的空间范围。
A. 末端执行器 B. 基座 C. 控制器 D. 驱动电机
答案：A。解析：末端执行器的活动范围定义了机器人的工作空间。
7. 工业机器人的重复定位精度是指机器人在多次重复定位时，其末端执行器（ ）的偏差。
A. 位置 B. 姿态 C. 速度 D. 加速度
答案：A。解析：重复定位精度主要关注的是位置的偏差情况。
8. 以下哪种传感器常用于工业机器人的位置检测？（ ）
A. 温度传感器 B. 压力传感器 C. 编码器 D. 光电传感器
答案：C。解析：编码器可以精确测量机器人关节的位置和角度。
9. 工业机器人的编程语言主要分为（ ）类。
A. 2 B. 3 C. 4 D. 5
机械手臂运动学分析及运动轨迹规划
机械手臂是一种能够模仿人手臂运动的工业机器人，正因为它的出现，可以将传统的人工操作转变为高效自动化生产，大大提高了生产效率和质量。而机械手臂的运动学分析和运动轨迹规划则是实现机械手臂完美运动的关键。
一、机械手臂运动学分析
机械手臂的运动学分析需要从几何学和向量代数角度出发，推导出机械手臂的位姿、速度和加速度等运动参数。其中，机械臂的位姿参数包括位置和姿态，位置参数表示机械臂末端在空间中的坐标，姿态表示机械臂在空间中的方向。
对于机械臂的位姿参数，一般采用欧拉角、四元数或旋转矩阵的形式描述。其中，欧拉角是一种常用的描述方法，它将机械臂的姿态分解为绕三个坐标轴的旋转角度。然而，欧拉角的局限性在于其存在万向锁问题和奇异性等问题，因此在实际应用中，四元数和旋转矩阵往往更为常用。
对于机械臂的运动速度和加速度，可以通过运动学方程求出。运动学方程描述了机械臂末端的速度和加速度与机械臂各关节角度和速度之间的关系，一般采用梯度方程或逆动力学方程求解。
二、机械手臂运动轨迹规划
机械手臂的运动轨迹规划是指通过预设规划点确定机械臂的运动轨迹，以实现机械臂的自动化运动。运动轨迹的规划需要结合机械臂的运动学特性和运动控制策略，选择合适的路径规划算法和控制策略。
在机械臂运动轨迹规划中，最重要的是选择合适的路径规划算法。常见的路径规划算法有直线插补、圆弧插补、样条插值等。其中，直线插补最简单、最直接，但是在复杂曲线的拟合上存在一定的不足。圆弧插补适用于弧形、曲线路径的规划，加工精度高，但需要计算机械臂末端的方向变化，计算复杂。样条插值虽能够精确拟合曲线轨迹，但计算速度较慢，适用于对路径要求较高的任务。
除了选择合适的路径规划算法，机械臂运动轨迹规划中还需要采用合适的控制策略。常用的控制策略包括开环控制和闭环控制。开环控制适用于简单的单点运动，对于复杂的轨迹运动不太适用；而闭环控制可以根据机械臂末端位置的反馈信息及时调整控制器输出，适用于复杂轨迹运动。
