抑制抖振的医疗机械臂轨迹规划方法与仿真

医疗机器人的运动轨迹规划与控制1. 引言医疗机器人是一种在医疗领域应用的机器人系统，利用自动化技术和计算机控制技术为医护人员提供辅助服务，减轻工作负担，并提高手术的精确度和安全性。

医疗机器人的运动轨迹规划与控制是其中的重要技术之一，本文将就此进行阐述。

2. 医疗机器人的运动轨迹规划运动轨迹规划是指在给定任务和环境条件下，确定医疗机器人的运动路径和目标点的过程。

医疗机器人的运动轨迹规划需要考虑到下述几个方面。

2.1 环境感知与建模医疗机器人在运动轨迹规划之前需要对周围环境进行感知，并建立相应的环境模型。

环境感知可以通过传感器获取周围环境的信息，如图像、声音和力等。

建模可以使用几何模型和点云模型等不同形式来表示环境。

2.2 运动约束与约束求解由于医疗机器人大多运动于医院狭小的空间中，需要满足一定的运动约束条件。

例如，机器人的大小、形状以及关节的活动范围等。

在进行运动轨迹规划时，需要将这些约束条件考虑进去，并通过求解器来得到满足约束条件的轨迹。

2.3 碰撞检测与避障策略碰撞检测是指在机器人运动过程中，检测机器人与周围环境是否发生碰撞的过程。

若发生碰撞，则需要采取相应的避障策略，使机器人避开障碍物继续运动。

这一策略的实现需要建立高效的碰撞检测算法和规划避障的算法。

3. 医疗机器人的运动控制医疗机器人的运动控制是指对机器人运动进行实时的控制和调节，以实现预定的运动轨迹。

医疗机器人的运动控制需要考虑以下几个方面。

3.1 关节控制医疗机器人通常由多个关节构成，控制这些关节的运动是医疗机器人动作实现的基础。

关节控制一般采用反馈控制的方法，根据机器人当前状态和目标状态之间的差异进行调节，实现精确的关节运动。

3.2 末端执行器控制医疗机器人的末端执行器是机器人与患者或医疗设备接触的部分，如手爪或刀具。

末端执行器的控制需要考虑到机器人与患者的安全问题，并确保机器人末端具有合适的力量和敏感度。

3.3 动态控制医疗机器人不仅需要在规划好的轨迹上进行静态运动，还需要适应动态的变化，如患者的移动或手术器械的位置调整等。

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 4Aug.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis基于MACSF的移动机械臂振动抑制轨迹规划方法*邵继升1，李团结1，宁宇铭1，张琰1，2，李刚2，姚聪1（1.西安电子科技大学机电工程学院西安，710071）（2.北京镁伽机器人科技有限公司北京，100085）摘要为满足移动机械臂高精度、低抖动的作业需求，提出一种基于修正非对称组合正弦函数（modified asymmetry combined sine function，简称MACSF）的振动抑制轨迹规划方法。

首先，针对传统非对称组合正弦函数（asymmetry combined sine function，简称ACSF）存在加速度突变、启停阶段不稳定等问题，以驱动函数加加速度连续平滑为目标，采用改进型组合正弦函数设计加加速度时间窗口中的加速阶段和减速阶段，以降低移动机械臂的关节力矩波动；其次，通过叠加组合方法求出满足约束条件的通用型驱动函数；最后，基于机器人操作系统（robot operating system ，简称ROS）搭建移动机械臂抑振算法验证平台，并使用该平台在样机场景下进行了一系列实验验证。

结果表明，MACSF方法能够有效抑制移动机械臂的瞬态振动和残余振动（动态作业过程中振幅优于1 mm），从而验证了该方法的有效性和实用性。

关键词移动机械臂；非对称组合正弦函数；轨迹规划；振动抑制；机器人操作系统中图分类号TP242；TH113.11 问题的引出随着现代化工业的快速发展，传统固定基座的桌面型机械臂已无法满足现代化工业的需求。

移动机械臂在物料搬运、目标检测抓取等方面具有运动范围广、灵巧性高等优势［1］，但在点到点作业过程中存在运动轨迹不光滑、关节驱动不柔顺等缺陷，会产生不必要的振动现象。

这些振动不仅降低了移动机械臂的作业精度与质量，还损害了机械结构的完整性。

自驱动关节臂坐标测量机轨迹规划与仿真轨迹规划是机械臂轨迹控制的基础，决定机械臂的运动方式和作业性能，其目的是找到机械臂在运动过程中时间和空间两者之间的关系来规划机械臂的运动轨迹。

目前，学者们对关节空间的轨迹规划算法进行了大量研究，较常用的有三次多项式和五次多项式插值法，计算量小且速度连续。

马睿等在满足机器人速度和加速度等约束条件下，利用三次多项式函数对机器人各个运动轨迹点进行插值，在一定程度上实现了最优的规划目标，但是由于三次多项式函数的特性导致机器人关节角速度曲线发生突变，可能会导致机器人运动时的振动。

在实际运用中，需要考虑工业机器人各个关节的始末位置、速度及加速度等因素，因为三次多项式得不到光滑的加速度曲线，因而五次多项式被广泛应用。

董辉等采用B样条插值法对机械手关节轨迹进行规划，将机器人的运动约束转化为B样条的控制顶点问题，从而优化出所需轨迹；刘松国等采用七次B样条曲线构造关节臂各关节的运动曲线，实现了关节臂运行的速度、加速度和冲击等参数的连续平滑，并到达了时间最短的优化目标。

随着计算机的发展，智能优化算法也被应用于轨迹规划的优化，石忠等采用粒子群算法优化用于机器人轨迹规划的多项式系数。

遗传算法因为具有全局优化的特点，而广泛应用于机器人的轨迹规划，郭清达等采用遗传算法优化机器人轨迹曲线的时间参数，证明其可靠性和实用性；Florian Shkurti等以时间和冲击作为约束条件，通过改变加权值得到不同的规划轨迹；Sebastian Starke等将遗传算法和粒子群算法相结合，优化了逆运动学解，获得了更精确的轨迹规划；A.Gasparetto等给出了基于能量最优的轨迹规划算法。

关节式坐标测量机因具有体积小、重量轻、便于携带和测量灵活性好等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、模具检测和逆向工程等领域。

为实现自动测量，提出自驱动关节臂坐标测量机（简称自驱动关节臂），自驱动关节臂同样面临轨迹规划问题。

机械手臂的运动轨迹规划与控制研究近年来，随着人工智能和机器人技术的不断发展，机械手臂越来越广泛地应用于工业、医疗和生活中各种领域。

机械手臂的运动轨迹规划和控制是机械手臂技术的核心问题之一，也是支撑机械手臂实现高精度操作和复杂任务的关键技术。

一、机械手臂运动轨迹规划的基本概念机械手臂的运动轨迹规划是指确定机械手臂从起始位置到目标位置的运动轨迹，以满足特定的运动要求。

运动要求包括轨迹的连续性、光滑性、最小化机械手臂的运动耗能、最大化机械手臂的作业速度和最大化机械手臂的定位精度等。

机械手臂的运动轨迹规划方法主要有离线规划和在线规划两种。

离线规划是在计算机上对机械手臂的起始位置和目标位置进行计算，得到运动轨迹后将其下载到机械手臂的控制系统中进行操作。

在线规划是在机械手臂的工作过程中实时计算机械手臂的运动轨迹，并即时调整机械手臂的运动速度和方向。

二、机械手臂运动轨迹规划方法机械手臂的运动轨迹规划方法主要有基于逆向运动学、基于正向运动学、基于最优控制和基于仿生学等。

基于逆向运动学的机械手臂运动轨迹规划方法是将机械手臂的末端位置和朝向作为输入，通过反推机械手臂的关节角度来计算机械手臂的运动轨迹。

这种方法可以减少机械手臂的运动耗能，但对机械手臂的定位精度要求较高。

基于正向运动学的机械手臂运动轨迹规划方法是将机械手臂的关节角度作为输入，通过正向运动学方程来计算机械手臂的末端位置和朝向，从而确定机械手臂的运动轨迹。

这种方法适用于需要高精度定位和运动的机械手臂。

基于最优控制的机械手臂运动轨迹规划方法是将机械手臂的运动目标作为控制系统的目标，通过最优控制理论进行控制，从而实现机械手臂的精确控制和运动轨迹规划。

基于仿生学的机械手臂运动轨迹规划方法是通过对生物运动过程的仿真和研究，提取生物模型中的优化控制算法和机械结构设计，结合智能控制理论和机器学习技术，来实现机械手臂的运动轨迹规划。

三、机械手臂的控制方法机械手臂的控制方法包括位置控制、速度控制和力控制三种。

0 引言工业机器人能够代替人工完成枯燥、重复性较高的工作，大幅提高生产效率，甚至可以完成一些人工无法完成的危险性任务。

虽然单臂机器人已经得到了广泛应用，但随着生产作业越来越复杂，单臂机器人在某些场合下已经无法胜任，例如较为复杂的搬运、柔性装配等应用，而双臂机器人则能完成这些工作任务。

因此，研究双臂机器人的运动轨迹规划，可以提高机器人的双臂协作、协调能力，扩展其应用领域[1]。

双臂机器人的轨迹规划研究与仿真1刘子贵（江门职业技术学院 广东省江门市 529090）概 要：本文以Baxter双臂机器人为研究对象，借助三次多项式插值法、五次多项式插值法等关节变量空间轨迹规划方法，采用D-H法建立机器人的连杆坐标系，利用Robotics Toolbox构建运动学模型，仿真双臂机器人7个关节的角度轨迹曲线、速度曲线和加速度曲线。

通过对比分析，具有6个约束条件的五次多项式插值法可以让加速度曲线不存在跳变，各关节运动轨迹更加平稳、连续，能够提升双臂机器人运动的平稳性、双臂协作能力，让其完成复杂的生产工作任务。

关键词：双臂机器人；Robotics Toolbox；关节变量；轨迹规划Abstract: In this paper, the Baxter dual arm robot is taken as the research object. By means of joint variable space trajectory planning methods such as cubic polynomial interpolation and quintic polynomial interpolation, the D-H method is used to establish the linkage coordinate system of the robot, and the kinematics model is built by using the robotics toolbox to simulate the angle trajectory curve, velocity curve and acceleration curve of the seven joints of the dual arm robot. Through the comparative analysis, the quintic polynomial interpolation method with six constraints can make the acceleration curve without jump, and the motion track of each joint is more stable and continuous. It can improve the stability of the movement of the dual arm robot, the ability of cooperation between the two arms, and make it complete the complex production tasks.Key words: Dual arm robot; Robotics toolbox; Joint variable; Trajectory planning1 轨迹规划方法关节变量空间轨迹规划的常见方法有三次多项式插值和五阶多项式插值等方法。

柔性关节机械臂轨迹跟踪与振动抑制方法研究柔性关节机械臂具有负载比高、质量轻、功耗低、构件设计紧凑等诸多优点,因此被广泛应用在国防军事、太空和海洋探索、医疗服务等众多领域。

但由于关节柔性存在,会在运动启动过程中和速度发生突变时引起机械臂的振动,增加机械臂的控制难度。

本文以选择顺应性装配机械臂(Selective Compliant Assembly Robot Arm,SCARA)的第一和第二连杆为控制对象,针对柔性SCARA型机械臂快速、精确的轨迹跟踪控制和连杆末端振动抑制的两个控制要求,进行了轨迹跟踪和振动抑制方法的研究。

首先,对机械臂的柔性关节进行分析与数学模型的建立,并在此基础上利用拉格朗日方程建立完整的柔性关节双连杆机械臂动力学模型,为下文控制方法的研究奠定基础。

其次,为达到SCARA型机械臂快速、精确轨迹跟踪的目的,对机械臂的控制器进行设计,采用前馈型二自由度
IP(Feedforward-Integral-Proportional,FF-I-P)控制器使机械臂能够较好地跟踪给定轨迹;针对机械臂存在的外部扰动和系统参数变化等不确定因素对机械臂跟踪控制性能的影响,在上述方法基础上采用参数自调整的模糊FF-I-P控制方法来改善,使机械臂控制系统具有更强的鲁棒性,并通过仿真验证控制器的有效性。

最后,由于柔性关节的存在使得机械臂在运动过程中连杆末端存在振动问题,对此采用物理参数状态观测器的方法,利用电机端控制输入和相关参数实现对连杆端参数的观测,并将扭转角速度反馈到电机控制输入中,以增加系统的阻尼,抑制柔性关节机械臂在运动过程中因外力干扰或关节柔性引起的振动现象。

以第二连杆为例,在Matlab中搭建观测器模型,通过仿真验证机械臂末端的振动抑制效果。

《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言六自由度机械臂，因其灵活性与精确性，被广泛应用于现代工业制造、航空航天、医疗卫生等各个领域。

为提高机械臂的控制性能及工作效果，对其控制系统设计与运动学仿真进行深入研究变得尤为重要。

本文旨在详细探讨六自由度机械臂控制系统的设计及运动学仿真的关键技术与实施步骤。

二、六自由度机械臂控制系统设计1. 硬件设计六自由度机械臂控制系统硬件主要包括机械臂本体、传感器、控制器以及驱动器等部分。

其中，机械臂本体采用串联结构，以实现六自由度的灵活运动。

传感器则包括位置传感器、速度传感器以及力/力矩传感器等，用于获取机械臂的运动状态和环境信息。

控制器选用高性能微处理器，实现高速的数据处理和指令控制。

驱动器则采用高性能的伺服电机驱动器，以实现精确的驱动控制。

2. 软件设计软件设计主要包括控制算法的设计和实现。

控制算法包括运动规划、轨迹跟踪、姿态调整等部分。

运动规划根据任务需求，生成机械臂的运动轨迹和姿态。

轨迹跟踪则根据实际传感器数据，对机械臂的运动进行实时调整，确保其按照预定轨迹运动。

姿态调整则根据实际需求，对机械臂的姿态进行精确调整。

此外，为提高系统的稳定性和响应速度，还需设计相应的控制系统优化算法。

三、运动学仿真运动学仿真是对六自由度机械臂运动特性的重要研究手段。

通过建立机械臂的运动学模型，可以模拟其在实际工作环境中的运动状态和性能表现。

具体步骤如下：1. 建立机械臂的运动学模型。

根据机械臂的结构参数和运动特性，建立其运动学方程和模型。

2. 设置仿真环境。

根据实际工作环境，设置仿真环境的参数和条件，如重力、摩擦力等。

3. 输入运动轨迹和姿态调整指令。

根据任务需求，输入机械臂的运动轨迹和姿态调整指令。

4. 运行仿真。

通过计算机软件对运动学模型进行仿真运算，得出机械臂的实时运动状态和性能表现。

5. 分析仿真结果。

根据仿真结果，分析机械臂的运动特性、稳定性和响应速度等性能指标，为优化控制系统提供依据。