机器人轨迹规划

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。

机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械

手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程操作来处理各种材料、

零件、工具盒专用装置，以执行多种任务。本论文所指的机器人，工业机器人，

或称机器人操作臂、机器人手臂、机械手等。

机械人系统一般由四个相互作用的部分组成：执行机构、控制器、

环境和任务，执行机构(也称为机械手、操作器或者操作手)一般是多关

节式机械结构，由连杆、关节、末端执行器等组成，其末端执行器根据

操作需要也可以换装焊枪、吸盘、扳手、喷嘴等工具。

环境即机器人所处的周围环境。是指机器人在执行任务时，所能达

到的几何空间，而且包含此空间及其中的每个事物的全部自然特性所决

定的。在机器人工作环境中，机械人会得到完成此任务所需要的支持，

如自动传输线将为机器人传送生产所需的工件、材料等。同时，在机器

人的工作环境中也会遇到一些障碍物和其他物体，它必须避免与这些障

碍物发生碰撞及对这些物体发生作用，妥善处理好环境中各种突发事件，以保

证机器人完成特定的任务。环境信息一般是确定的和己知的，这种环境称为结构化

环境。但在大多数情况下，环境具有未知和不确定性，这种环境称为非结构化环境。任务的定义为环境的两种状态(初始状态和目标状态)fB]的区别。这

些任务必须用适当的程序设计语言来描述，并将其存入机器人系统的控

制计算器中，而且这种描述必须是能被计算机所理解。随着系统的不

同，语言所用的系统不同语言描述方式可以为图形、语音或者文字。

控制器是机器人系统的指挥中枢，负责信息处理和与人交互，它接受来自传感器的信

号，对其进行数据处理，并按照预存信息、机器人的状态及其环境情况

等，产生出控制信号去驱动机器人的各个关节。为此，控制器内必须保

证机器人实现其功能所必须的程序。对于技术要求简单的机器人，计算

机只含有固定程序：对于技术比较先进的机器人，可以采用可编程计算

机或者微处理器作为控制器。机器人主要应用在工业制造中，当然还有

各类机器人在资源丌发、排险救灾、社会服务和军事、航天等方面。

２０１０年第５期　・控制与检测・　

文章编号：１００１—２２６５（２０１０）０５—００８３—０３　

搬运机器人的轨迹规划　

李伟光，许阳钊　

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州　５１０６４０）　

摘要：用五段三次多项式方法对一种搬运机器人的运行轨迹进行规划，并利用Ｍａｔｌａｂ工具对该方法进行　

仿真分析。结果表明该方法能使运动轨迹的位置和速度都连续，尤其是加速度也连续，并且能够使机器　

人按照规定路径运动，保证机器人运行平稳不抖动，顺利避开障碍物，满足设计要求。　

关键词：三次多项式；搬运机器人；轨迹规划；关节空间　

中图分类号：ＴＧ６５；ＴＰ２４２　文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｒｏｂｏｔ　

ＬＩ　Ｗｅｉ—ｇｕａｎｇ，ＸＵ　Ｙａｎｇ—ｚｈａｏ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６４０，　

Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｏｆ　ａ　ｔｒａｎｓｐ　ｏｒｔ　ｒｏｂｏｔ　ｗａｓ　ｐ　ｌａｎｎｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆｉｖｅ　ｃｕｂｉｃ　ｐ　ｏｌｙｎｏｍｉａ１．Ｔｈｅ　

ｅｍｕｌａｔｉｏｎａｌ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　Ｍ　ａｔｌａｂ　ｔｏｏｌｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈ－　

ｏｄ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ａ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｓｍｏｏｔｈ　ｍｏｖｉｎｇ　ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｏｆ　ｐ　ｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｓｐ　ｅｃｉａｌｌｙ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，　

ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ　ｒｕｎ　ｓｍｏｏｔｈｌｙ　ｉｎ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ａ　ｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｐａｔｈ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｊｉｔｔｅｒ　ａｎｄ　ａｖｏｉｄ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ　ＳＵＣ。　

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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。