机器人轨迹规划.ppt

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1、第四章机器人轨迹规划本章主要内容4.1机器人轨迹规划概述4.2插补方式分类与轨迹控制4.3机器人轨迹插补计算4.4轨迹的实时生成所谓机器人的规划(P1anning)，指的是——机器人根据自身的任务，求得完成这一任务的解决方案的过程。这里所说的任务，具有广义的概念，既可以指机器人要完成的某一具体任务，也可以是机器人的某个动作，比如手部或关节的某个规定的运动等。4.1机器人轨迹规划概述一、机器人规划的概念为说明机器人规划的概念，我们举下面的例子：在一些老龄化比较严重的国家，开发了各种各样的机器人专门用于伺候老人，这些机器人有不

2、少是采用声控的方式．比如主人用声音命令机器人“给我倒一杯开水”，我们先不考虑机器人是如何识别人的自然语言，而是着重分析一下机器人在得到这样一个命令后，如何来完成主人交给的任务。一、机器人规划的概念首先，机器人应该把任务进行分解，把主人交代的任务分解成为“取一个杯子”、“找到水壶”、“打开瓶塞”、“把水倒人杯中”、“把水送给主人”等一系列子任务。这一层次的规划称为任务规划(Taskplanning)，它完成总体任务的分解。然后再针对每一个子任务进行进一步的规划。以“把水倒入杯中”这一子任务为例，可以进一步分解成为一系列动作，

3、这一层次的规划称为动作规划，它把实现每一个子任务的过程分解为一系列具体的动作。取一个杯子找到水壶打开水壶把水倒入杯中把水送给主人给主人倒一杯水把水倒入杯中提起水壶到杯口上方把水壶倾斜把水壶竖直把水壶放回原处为了实现每一个动作，需要对手部的运动轨迹进行必要的规定，这是手部轨迹规划(Handtrajectoryplanning)。为了使手部实现预定的运动，就要知道各关节的运动规律，这是关节轨迹规划(Jointtrajectoryplanning)。最后才是关节的运动控制(Motioncontrol)。取一个杯子找到水壶打开水壶

4、把水倒入杯中把水送给主人给主人倒一杯水提起水壶到杯口上方把水壶倾斜把水壶竖直把水壶放回原处手部从A点移到B点关节从C点移到D点上述例子可以看出，机器人的规划是分层次的，从高层的任务规划，动作规划到手部轨迹规划和关节轨迹规划。在上述例子中，我们没有讨论力的问题，实际上，对有些机器人来说，力的大小也是要控制的，这时，除了手部或关节的轨迹规划，还要进行手部和关节输出力的规划。智能化程度越高，规划的层次越多，操作就越简单。轨迹规划的目的是将操作人员输入的简单的任务描述变为详细的运动轨迹描述。例如，对一般的工业机器人来说，操作员可能

5、只输入机械手末端的目标位置和方位，而规划的任务便是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间和速度等。这里所说的轨迹是指随时间变化的位置、速度和加速度。简言之，机器人的工作过程，就是通过规划，将要求的任务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力的信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务。如下图所示。这里，机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级，以便对规划和控制的结果做出适当的修正。人机接口规划控制机器人本体要求的任务期望的运动和力实际的运动和力控制作用要求的任务由操作人

6、员输入给机器人，为了使机器人操作方便、使用简单，必须允许操作人员给出尽量简单的描述。期望的运动和力是进行机器人控制所必需的输入量，它们是机械手末端在每一个时刻的位姿和速度，对于绝大多数情况，还要求给出每一时刻期望的关节位移和速度，有些控制方法还要求给出期望的加速度等。4.1机器人轨迹规划概述轨迹规划？机器人在作业空间要完成给定的任务，其手部运动必须按一定的轨迹(trajectory)进行。轨迹的生成一般是先给定轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插

7、值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。二、轨迹规划的一般性问题工业机器人的作业可以描述成工具坐标系{T}相对于工件坐标系{S}的一系列运动。图4.1机器人将销插入工件孔中的作业描述图4.1所示的将销插入工件孔中的作业，可以借助工具坐标系的一系列位姿Pi(i=1，2，…，n)来描述。二、轨迹规划的一般性问题用工具坐标系相对于工件坐标系的运动来描述作业路径是一种通用的作业描述方法。它把作业路径描述与具体的机器人、手爪或工具分离开来，形成了模型化的作业描述方法，从而使这种描述既适用于不同的机器人，也适用于在同

8、一机器人上装夹不同规格的工具。图4.2机器人的初始状态和终止状态对点位作业(pickandplaceoperation)的机器人，需要描述它的起始状态和目标状态，即工具坐标系的起始值{T0}，目标值{Tf}。在此，用“点”这个词表示工具坐标系的位置和姿态(简称位姿)。对于另外一些作业，如弧焊和曲面加工等