焊接机器人运动轨迹规划与控制

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。

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机器人控制与轨迹规划

实验报告

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2016年5月 2 论述题（每题10分）

1) SSF2000机器人有哪几个轴，请对每一个轴的性能进行详细说明；

2) 对于示教模式、再现模式、远程模式进行详细说明；

3) 对于关节插补、直线插补、圆弧插补 、自由曲线插补方法进行详细说明；

4) 如何实现程序内容的删除；

5) 请详细说明在示教模式下如何实现机器人第7轴的运动控制；

6) 请对机器人常用坐标系进行详细说明；

7) 机器人安全模式分为哪几种？

8) 试述机器人示教编程的过程及特点。

现场操作题（20分）

3 一、SSF2000机器人有哪几个轴，请对每一个轴的性能进行详细说明：

答：SSF2000机器人具有6个控制轴，其中，基本轴3个，分别为S轴、L轴、U轴；腕部轴3个，分别为R轴、B轴、T轴。各个轴的作用及性能如下：

1、S轴，控制本体左右回转，最大动作范围：±170°，最大速度：3.67 rad/s，210˚/s；

2、L轴，控制下臂前后运动，最大动作范围：+155°，-90°，最大速度：3.32 rad/s，190˚/s；

3、U轴，控制上臂上下运动，最大动作范围：+250°，-175°，最大速度：3.67 rad/s，210˚/s；

4、R轴，控制上臂带手腕回旋，最大动作范围：±180°，最大速度：6.98 rad/s，400˚/s，允许力矩：11.8N·m，允许惯性力矩：0.24Kg·m2；

5、B轴，控制手腕上下运动，最大动作范围：+225°，-45°，最大速度：6.98 rad/s，400˚/s，允许力矩：8.8N·m，允许惯性力矩：0.17Kg·m2；

6、T轴，控制手臂回旋，最大动作范围：±360°，最大速度：10.47 rad/s，600˚/s，允许力矩：5.9N·m，允许惯性力矩：0.06Kg·m2。

二、对于示教模式、再现模式、远程模式进行详细说明

机器人运动轨迹规划分析

作者：刘艳松

来源：《科技创新导报》 2013年第10期

刘艳松

（长春职业技术学院工程技术分院 吉林长春 130033）

摘?要：该文就机器人的基础设计、运动学分析、轨迹规划等几个部分对机器人进行了较深入的研究。对救援机器人的结构与运动特点进行相关运动学分析。在分析过程中，分解了机器人的位姿，并分别用关节角度来表示，以关节的角度为中间量求解运动学方程，避免了大量矩阵的求逆的运动学计算，求解过程简单方便，大大提高了计算的速度，对于机器人的实时在线控制，具有较大的实用价值。

关键词：机器人运动学分析 末端夹持器 轨迹规划

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（a）-00-01

1 工业机器人

机器人技术是综合计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等等多个学科形成的高新技术，是现今研究相当活跃，应用日益广泛的前沿领域。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是简单意 义上的代替人工的劳动，是综合了人特长和机器特长的一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态的分析判断和快速反应能力，又有机器可长时持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说也是机器发展的产物，是工业及非产业界的重要生产品和服务性的设备，更是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。论文主要研究内容：(1）对救援机器人的关节形式进行了分析的基础上，以大小臂长度为二维函数进行了设计，使机器人的末端能够满特定条件下的抓取任务；(2）采用插入物体从上方，抓取方式为中间托起，设计出了一种夹持器是新型末端的，可实现可靠的夹持，对瓶装类物体；(3）针对其机器人的结构特点，将位姿进行分解，避开的是建立连杆方式矩阵的方法，应用简易易懂方法进行分析运动学。(4）在已经设定了路径前提下，将5个关节在完成作业任务的方式划分在关节空间与笛卡尔空间分别进行轨迹规划，在相应空间中建立数学模型，并对MATLAB轨迹仿真得到的结果进行了讨论。为了满足救援要求，所以不仅要将物体完成位置变化，而且要求姿态的变化。为完成该任务考虑机器人的关节及其形式，由于分布的范围较广，基座需要有一个绕z轴方向的自由度1，用来调节机械臂到达不同抓取与释放位置的指向；为了调节机械臂末端到达位置的远近还需要有大臂与小臂两个自由度2与3；考虑到救援物体可能较重，救援过程中应保持腕部始终朝下，以减小末端重物对机器人产生的附加力矩，这需要增加一个腕部自由度4；由于抓取与释放都保证末端夹持器侧壁的方向，这样调整末端姿态也需要一个自由度5。该文考虑到计算的繁简程度，夹持器的夹取动作的自由度不做考虑。

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机器人运动轨迹规划分析

作者：刘艳松

来源：《科技创新导报》2013年第10期

摘 要：该文就机器人的基础设计、运动学分析、轨迹规划等几个部分对机器人进行了较深入的研究。对救援机器人的结构与运动特点进行相关运动学分析。在分析过程中，分解了机器人的位姿，并分别用关节角度来表示，以关节的角度为中间量求解运动学方程，避免了大量矩阵的求逆的运动学计算，求解过程简单方便，大大提高了计算的速度，对于机器人的实时在线控制，具有较大的实用价值。

关键词：机器人运动学分析 末端夹持器 轨迹规划

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（a）-00-01

1 工业机器人

机器人技术是综合计算机、控制理论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等等多个学科形成的高新技术，是现今研究相当活跃，应用日益广泛的前沿领域。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是简单意 义上的代替人工的劳动，是综合了人特长和机器特长的一种拟人电子机械装置，既有人对环境状态的分析判断和快速反应能力，又有机器可长时持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说也是机器发展的产物，是工业及非产业界的重要生产品和服务性的设备，更是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。论文主要研究内容：（1）对救援机器人的关节形式进行了分析的基础上，以大小臂长度为二维函数进行了设计，使机器人的末端能够满特定条件下的抓取任务；（2）采用插入物体从上方，抓取方式为中间托起，设计出了一种夹持器是新型末端的，可实现可靠的夹持，对瓶装类物体；（3）针对其机器人的结构特点，将位姿进行分解，避开的是建立连杆方式矩阵的方法，应用简易易懂方法进行分析运动学。（4）在已经设定了路径前提下，将5个关节在完成作业任务的方式划分在关节空间与笛卡尔空间分别进行轨迹规划，在相应空间中建立数学模型，并对MATLAB轨迹仿真得到的结果进行了讨论。为了满足救援要求，所以不仅要将物体完成位置变化，而且要求姿态的变化。为完成该任务考虑机器人的关节及其形式，由于分布的范围较广，基座需要有一个绕z轴方向的自由度1，用来调节机械臂到达不同抓取与释放位置的指向；为了调节机械臂末端到达位置的远近还需要有大臂与小臂两个自由度2与3；考虑到救援物体可能较重，救援过程中应保持腕部始终朝下，以减小末端重物对机器人产生的附加力矩，这需要增加一个腕部自由度4；由于抓取与释放都保证末端夹持器侧壁的方向，这样调整末端姿态也需要一个自由度5。该文考虑到计算的繁简程度，夹持器的夹取动作的自由度不做考虑。