第三章 机器人轨迹规划ppt课件.ppt

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1、第3章机器人轨迹规划3.1机器人轨迹规划概述3.1.1机器人轨迹的概念机器人轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点的位移、速度和加速度。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。本章仅讨论在关节空间或笛卡尔空间中工业机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。机器人运动轨迹的描述一般是对其手部位姿的描述，此位姿值可与关

2、节变量相互转换。控制轨迹也就是按时间控制手部或工具中心走过的空间路径。3.1.2轨迹规划的一般性问题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。例如，图3.1所示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。这种描述方法不仅符合机器人用户考虑问题的思路，而且有利于描述和生成机器人的运动轨迹。图3.1机器人将销插入工件孔中的作业描述用{T}相对于{S}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

3、方法，从而使这种描述既适用于不同的机器人，也适用于在同一机器人上装夹不同规格的工具。有了这种描述方法就可以把如图3.2所示的机器人从初始状态运动到终止状态的作业看做是工具坐标系从初始位置{T0}变化到终止位置{Tf}的坐标变换。显然，这种变换与具体机器人无关。一般情况下，这种变换包含了工具坐标系位置和姿态的变化。图3.2机器人的初始状态和终止状态在轨迹规划中，为叙述方便，也常用点来表示机器人的状态，或用它来表示工具坐标系的位姿。更详细地描述运动时不仅要规定机器人的起始点和终止点，而且要给出介于起始点和终止点之间的中间点，也称路径点。这时

4、，运动轨迹除了位姿约束外，还存在着各路径点之间的时间分配问题。机器人的运动应当平稳，不平稳的运动将加剧机械部件的磨损，并导致机器人的振动和冲击。为此，要求所选择的运动轨迹描述函数必须连续，而且它的一阶导数(速度)，有时甚至二阶导数(加速度)也应该连续。轨迹规划既可以在关节空间中进行，也可以在直角坐标空间中进行。在关节空间中进行轨迹规划是指将所有关节变量表示为时间的函数，用这些关节函数及其一阶、二阶导数描述机器人预期的运动；在直角坐标空间中进行轨迹规划是指将手爪位姿、速度和加速度表示为时间的函数，而相应的关节位置、速度和加速度由手爪信息导

5、出。3.1.3轨迹的生成方式(1)示教-再现运动。这种运动由人手把手示教机器人，定时记录各关节变量，得到沿路径运动时各关节的位移时间函数q(t)；再现时，按内存中记录的各点的值产生序列动作。(2)关节空间运动。这种运动直接在关节空间里进行。由于动力学参数及其极限值直接在关节空间里描述，所以用这种方式求最短时间运动很方便。(3)空间直线运动。这是一种直角空间里的运动，它便于描述空间操作，计算量小，适宜简单的作业。(4)空间曲线运动。这是一种在描述空间中用明确的函数表达的运动，如圆周运动、螺旋运动等。3.1.4轨迹规划涉及的主要问题为了描述

6、一个完整的作业，往往需要将上述运动进行组合。通常这种规划涉及到以下几方面的问题：(1)对工作对象及作业进行描述，用示教方法给出轨迹上若干个结点。(2)用一条轨迹通过或逼近结点，此轨迹可按一定的原则优化，如加速度平滑得到直角空间的位移时间函数X(t)或关节空间的位移时间函数q(t)；在结点之间如何进行插补，即根据轨迹表达式在每一个采样周期实时计算轨迹上点的位姿和各关节变量值。(3)以上生成的轨迹是机器人位置控制的给定值，可以据此并根据机器人的动态参数设计一定的控制规律。(4)规划机器人的运动轨迹时，需明确其路径上是否存在障碍约束的组合。一

7、般将机器人的规划与控制方式分为四种情况，如表3.1所示。本章主要讨论连续路径的无障碍轨迹规划方法。3.2插补方式分类与轨迹控制3.2.1插补方式分类点位控制(PTP控制)通常没有路径约束，多以关节坐标运动表示。点位控制只要求满足起终点位姿，在轨迹中间只有关节的几何限制、最大速度和加速度约束；为了保证运动的连续性，要求速度连续，各轴协调。连续轨迹控制(CP控制)有路径约束，因此要对路径进行设计。路径控制与插补方式分类如表3.2所示。表3.2路径控制与插补方式分类路径控制不插补关节插补(平滑)空间插补点位控制PTP(1)各轴独立快速到达。(

8、2)各关节最大加速度限制(1)各轴协调运动定时插补。(2)各关节最大加速度限制连续路径控制CP(1)在空间插补点间进行关节定时插补。(2)用关节的低阶多项式拟合空间直线使各轴协调运动。(3)各关节最大加速度