当前位置：文档之家 › 工业机器人的空间运行轨迹规划研究

工业机器人的空间运行轨迹规划研究

  • 格式：pdf
  • 大小：1014.53 KB
  • 文档页数：6

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2017, 6(1), 11-16

Published Online March 2017 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/met https://doi.org/10.12677/met.2017.61002

文章引用: 王肖潇, 李连进, 郭珉, 李珍, 刘晓丽, 赵静静. 工业机器人的空间运行轨迹规划研究[J]. 机械工程与技术,

2017, 6(1): 11-16. https://doi.org/10.12677/met.2017.61002

Research on Space Moving Trajectory

Planning of the Industrial Robot

Xiaoxiao Wang

*, Lianjin Li

*, Min Guo, Zhen Li, Xiaoli Liu, Jingjing Zhao

School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, Tianjin

Received: Feb. 26th

, 2017; accepted: Mar. 14th

, 2017; published: Mar. 20th

, 2017

Abstract An optimization method is proposed aiming at the problem that it is often inefficient and easy to interfere with production since the domestic enterprises mainly rely on the technicians to carry out the trajectory planning of the robot. For this kind of situation, based on the analysis of the

structure features of the robot and process analysis, using the finite element method to establish

the virtual prototype model of the robot, the simulation calculates the end of the model and the

moving trajectory of each joint, and compared with the mathematical solution results of special

points, the reliability of the virtual prototype model is verified, the optimal moving trajectory of

the robot is determined and the basis for the design, manufacture and use of the robot is pro-

vided.

Keywords

Robot, Trajectory Planning, Motion Simulation, Computational Model

工业机器人的空间运行轨迹规划研究

王肖潇*

，李连进*

，郭 珉，李 珍，刘晓丽，赵静静

天津商业大学机械工程学院，天津

收稿日期：2017年2月26日；录用日期：2017年3月14日；发布日期：2017年3月20日

摘 要

针对国内企业目前主要依靠技术人员进行机器人运行轨迹规划时，常出现效率低和容易发生干涉而影响

*

通讯作者。 王肖潇 等

12 生产的问题，提出了一种优化计算方法。在对机器人的结构特点和工艺分析的基础上，运用有限元方法

建立机器人的虚拟样机模型，仿真计算出模型的末端和各关节的运行轨迹，并与特殊点的数学求解结果

进行对比，验证了虚拟样机模型的可靠性，确定机器人的最优运行轨迹，为机器人的设计制造及使用提

供依据。

关键词

机器人，路径规划，运动仿真，计算模型

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

随着工业自动化技术的发展，具有较高的智能水平的工业机器人逐渐成为工业生产线中的重要组成

部分，促进了生产线向着高节拍、高柔性化的方向发展[1]。当然，利用工业机器人代替人工作业，可减

轻工人的劳动强度，提高劳动率。但机器代替人工作业，需要进行运行轨迹设计和运动学分析，即进行

机械人各关节的运行轨迹和速度及加速度分析，而多连杆机构组成的机器人是多自由度的串联空间机构，

其运动学和动力学问题分析难度很大[2] [3]。

目前，生产企业技术人员普遍根据生产经验，参考产品图纸和工艺卡及车间设备布局，规划出运行

轨迹，并编制程序写入相应的设备中，现场技术人员根据规划运行轨迹实时调试机器人，最终根据生产

现场实制订一条无碰撞的运行轨迹[4]。这种依赖技术人员经验的运行轨迹方法缺乏严格的理论依据，会

因人而异，难于保证所规划的运行轨迹是最优的，也有可能导致设备之间发生干涉的现象[5]。

2. 工业机器人的运动分析

工业机器人一般采用关节式结构，由一系列连杆通过铰接组成的开环串联系统，用电动机驱动关节

转动，即底座与躯干、躯干与肩、肩与手臂、手臂与手腕、手腕与操作手都通过转动副相连，而操作手

可以操纵各种工具完成所需的作业[6]。

因此，机器人的运动是由机器人各关节角(

12,,

nθθθ

,)和连杆长度，计算机械人上某一点的位置和方

向，建立机器人的运动学方程和解决姿态求解问题。简单的方法就是对每个连杆都沿关节轴建立一个附

体坐标系，然后求解附体坐标系相对于参考坐标系的转动和移动，获得其运动的姿态(图1)。

在实际工作过程中，机器人的操作执行部(操作手)要与工件保持一定角度，并沿着规划运行轨迹的方

向移动。因此，生成机器人作业文件需要确定操作手的位置坐标和旋转角度。

3. 工业机器人的仿真模型

数字模拟计算常用的应用软件为美国MSC公司的ADAMS，这是一种用有限元方法建立机械系统的

计算模型，通过运动学和动力学分析，能够输出载荷、速度、加速度及位移曲线，检测机械系统的运行

轨迹和干涉，预测机械系统的性能。

本机器人由底座、躯干、肩、手臂及手构成，除在机座与地基联接处为固定约束外，其它各关节均

为转动关节，所以底座与躯干、躯干与肩、肩与手臂、手臂与手腕、手腕与操作手处均施加驱动，控制

转动副的运动。 王肖潇 等

13

Figure 1. Coordinate system of industrial robot

图1. 工业机器人的坐标系

3.1. 避免运动干涉的方法

机器人实际使用工位一般都处于设备密集的场所，因此在实际执行任务时极有可能与附近工位的其

他设备发生运动干涉，这种干涉主要都是动态干涉。

解决这种干涉的方法一是在机器人运行路径中设置障碍点，用于改变机器人的运行路径，使其绕开

障碍物；二是定义机器人的运行优先权，优先权高的机器人先运行，优先权低的等待；三是延迟机器人

或某台相干涉设备的启动时间，即使相互干涉的机器人或设备不同时启动。

3.2. 运行的节拍分析

机器人的运行节拍是机械结构运动学仿真分析的关键步骤之一。通过运行节拍分析能够估算运行的

极点位置和工位节拍，将理论计算分析结果与生产实践效果进行对比，可以提高机器人运行轨迹的正确

性及调试工作的效率。

4. 机器人的运动仿真与分析

机械手各关节角的位移、速度、加速度保证运行不发生干涉和位置精度的重要参数，也是研究机器

人运动学和动力学的重要参数。本文基于工业机器人的运动仿真模型采用ADAMS软件计算结果，绘制

机械手的运动过程轨迹，计算这些参数在机器人运行过程中的变化情况，获得机器人各关节在运行周期

内的运动特性曲线，以便在设计阶段及时发现设计中存在的不合理问题。

根据仿真计算结果，绘制的机械手空间运动的位移、速度及加速度曲线，如图2~图4所示。由图

2可见，机械手在

x、y

及z

三个方向的位移曲线光滑连续，没有出现突变点，表明机器人在工作过程中

的运行轨迹连续，不会出现运行停顿现象，符合机器人的运动要求；由图3可见，机械手在

x、y及z

三

个方向的的运行速度曲线光滑连续，没有出现突变点，表明机械人在工作过程中的运行平稳，不会出现

较大的抖动现象，能够保证运行平稳光滑；由图4可见，机械手在

x、y及z

三个方向的加速度曲线光

滑连续，没有出现突变点，表明机械人在工作过程中的运行平稳，不会出现较大的振动冲击，能够保证

运行质量。

通过ADAMS软件计算结果，分析各关节角的位移、速度及加速度，结果表明在机器人的整个运行

过程中，机器人的底座与躯干、躯干与肩、肩与手臂、手臂与手腕、手腕与操作手都运动平稳，无突变

王肖潇 等

14

Figure 2. The displacement curve of industrial robot in x, y and z direction

图2. 机器人的x和y及z方向的位移曲线

Figure 3. The speed curve of industrial robot in x, y and z direction

图3. 机器人的x和y及z方向的速度曲线

点和剧烈抖动现象，表明运行平稳、无较大振动冲击。

由躯干绕底座转动的角位移曲线图5可见，躯干转动的角位移正、负峰值均为180˚，说明躯干绕底

座的转动正好为一周，斜直线的曲线说明躯干的转动为匀速转动，符合实际情况。

5. 理论计算与运动仿真结果的对比

将建立仿真模型时的数据，

10.6ml=、

20.5ml=、

31.3ml=、

190θ

=

、

260θ

=

，其它角度数据

值为零，当机器人在xy平面内运行时，代入理论计算式，得：

1230.6cos0.5cos1.3cos1.05mmxθθθ

=×−×−×=−

1230.6sin0.5sin1.3sin0.167ymmθθθ

=×−×−×=

这一理论计算与运动仿真值非常接近，两者结果一致就说明运动仿真结果正确。

合集下载

工业机器人的工作空间规划教程

工业机器人的工作空间规划教程

工业机器人的工作空间规划教程

工业机器人在现代制造业中扮演着重要的角色，它们能够提高生产效率、提升产品质量，甚至还能处理一些危险或重复性工作。然而，为了确保机器人在工作中能够安全高效地操作，工作空间的规划是至关重要的。本文将介绍工业机器人的工作空间规划教程，以帮助您合理规划机器人的工作环境。

一、确定机器人的工作区域

首先，需要确定机器人的工作区域。工作区域要足够大，以容纳机器人的移动和操作，并确保不会与其他设备或人员发生碰撞。确定机器人的工作区域时，需要考虑以下因素：

1. 机器人的运动范围：根据机器人的尺寸和工作任务，确定机器人需要的运动范围。机器人通常具有可编程的轨迹和工作空间，可以根据具体需求进行调整。

2. 安全间距：要确保机器人的运动不会造成危险，应在机器人工作区域周围预留一定的安全间距，以防止碰撞事故的发生。 3. 操作人员的工作区域：机器人工作区域应与操作人员的工作区域相分离，并设置明确的安全标识。尽量将操作人员与机器人的工作区域隔离开，以减少事故的发生。

二、安全措施的考虑

在工业机器人的工作空间规划中，安全措施是必不可少的一部分。以下是一些常见的安全措施：

1. 安全围栏：对于高风险的工作环境，可以设置安全围栏来限制机器人的行动范围。安全围栏应该具有足够的强度和稳定性，以保护工作人员免受机器人的伤害。

2. 机器人的安全装置：机器人通常配备有安全装置，如机器人手臂上的碰撞传感器或视觉传感器。这些安全装置可以监测周围环境，并在检测到障碍物或人员时停止机器人的运动。

3. 安全标识和警示灯：在机器人的工作区域周围设置明显的安全标识和警示灯，以提醒工作人员注意机器人的运动和操作。

4. 培训和教育：在规划工业机器人的工作空间时，操作人员的培训和教育也是重要的。他们应该了解与机器人操作相关的安全规范和标准，并掌握正确的操作方法。 三、考虑机器人与其他设备的协调

在工业生产线上，机器人往往需要与其他设备和机械装置进行协调工作。因此，在工作空间规划中需要考虑机器人与其他设备的布局和协调。

工业机器人的运动控制与路径规划

工业机器人的运动控制与路径规划

工业机器人的运动控制与路径规划

一、引言

随着工业自动化的进一步发展，工业机器人的应用逐渐普及。工业机器人是一种可以自主执行各种任务的机械设备，它通过精确的控制和路径规划实现各种复杂的工作。本文将着重探讨工业机器人的运动控制与路径规划技术。

二、工业机器人的运动控制

1. 关节空间与笛卡尔空间

工业机器人的运动可以描述为在关节空间和笛卡尔空间中的运动。关节空间是指机器人关节角度的变化，而笛卡尔空间是指机器人执行器的位置和姿态的变化。控制机器人的关节角度可以直接通过控制关节电机实现，而控制机器人的位置和姿态则需要通过逆运动学求解，即根据末端执行器的位置和姿态来推算关节角度。

2. 动态模型与控制器

为了实现机器人的精确运动控制，需要建立机器人的动态模型。动态模型描述了机器人在受力作用下的运动方程，可以用于计算机器人在给定控制输入下的状态响应。基于动态模型，可以设计合适的控制器，包括位置控制、速度控制和力控制等。位置控制是最常用的控制方式，通过控制机器人的位置达到期望的位置。速度控制则是通过控制机器人的关节速度实现期望的速度。力控制则是通过传感器反馈机器人末端执行器的受力情况，控制机器人的受力在允许范围内。

三、工业机器人的路径规划

1. 末端执行器的路径规划

路径规划是指确定末端执行器在空间中的轨迹，以实现机器人的期望运动。常用的路径规划方法包括直线规划和圆弧规划。直线规划是通过直线插补，将机器人末端执行器从起始位置移动到目标位置。圆弧规划则是通过圆弧插补，在起始位置和目标位置之间生成一条弧线路径。

2. 避障路径规划

工业机器人在执行任务时，需要避免与障碍物发生碰撞，因此需要进行避障路径规划。常用的避障路径规划方法包括局部规划和全局规划。局部规划是在机器人周围的感知范围内进行规划，通过实时更新障碍物位置，避免碰撞。全局规划则是在整个工作空间中进行规划，通过预先建立地图和路径搜索算法，找到无碰撞的路径。全局规划常用的算法包括Dijkstra算法和A*算法等。

自主移动机器人路径规划及轨迹跟踪的研究

自主移动机器人路径规划及轨迹跟踪的研究

自主移动机器人路径规划及轨迹跟踪的研究

一、本文概述

随着技术的飞速发展和应用场景的不断拓展，自主移动机器人在众多领域中发挥着日益重要的作用。自主移动机器人的核心问题之一是路径规划与轨迹跟踪，这两个问题直接决定了机器人的运动效率、稳定性和安全性。因此，对自主移动机器人路径规划及轨迹跟踪的研究具有重要的理论价值和实际应用意义。

本文旨在深入研究和探讨自主移动机器人的路径规划和轨迹跟踪技术。文章将综述当前国内外在自主移动机器人路径规划方面的研究现状和发展趋势，分析现有算法的优点和不足，为后续研究提供理论支撑。本文将重点研究基于环境感知和动态规划的路径规划算法，以提高机器人在复杂环境下的自主导航能力。针对轨迹跟踪问题，本文将探讨基于运动学和动力学模型的轨迹生成与优化方法，以确保机器人在执行路径规划时能够准确、平稳地跟踪预期轨迹。

本文将通过实验验证所提算法的有效性和性能，并与现有算法进行对比分析。本文的研究成果将为自主移动机器人在实际应用中的路径规划和轨迹跟踪提供新的思路和方法，为推动相关领域的发展做出贡献。 二、自主移动机器人技术概述

自主移动机器人技术是指机器人能够在未知或已知的环境中，通过内置传感器和算法，实现自主决策、导航、路径规划和轨迹跟踪等功能。这一技术融合了计算机科学、控制理论、感知技术等多个学科，是机器人领域的研究热点之一。

自主移动机器人的核心技术包括环境感知、路径规划、轨迹跟踪和决策控制等。环境感知是通过各类传感器，如激光雷达、摄像头、超声波等，获取周围环境的信息，包括障碍物、地形、标志物等。路径规划是根据环境感知的结果，结合机器人的动力学特性和任务需求，规划出从起点到终点的最优或可行路径。轨迹跟踪是根据路径规划的结果，通过控制算法，使机器人能够准确地按照预定的路径进行移动。决策控制则是在机器人运行过程中，根据实时的环境信息和机器人的状态，进行实时的决策和调整，以保证机器人的安全和效率。

机器人轨迹规划算法研究及其在自动化生产中的应用

机器人轨迹规划算法研究及其在自动化生产中的应用

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：