机器人技术及其应用课件 第3章 机器人轨迹规划.ppt

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 机器人轨迹规划属于机器人低层规划，基本上不涉及工人智能问题，而是在机械手运动学和动力学的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。 所谓轨迹，是指机械手在运动过程中的位移、速度和加速度。而轨迹规划是根据作业任务的要求，计算出预期的运动轨迹。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。 3.1 机器人轨迹规划概述 轨迹规划器可使编程手续简化，只要求用户输入有关路径和轨迹的若干约束和简单描述，而复杂的细节问题则由规划器解决。例如，用户只需给出手部的目标位姿，让规划器确定到该目标的路径点、持续时间、运动速度等轨迹参数，并在计算机内部描述所要求的轨迹，即选择习惯规定及合理的软件数据结构。最后，对内部描述的轨迹，实时计算机器人运动的位移、速度和加速度，生成运动轨迹。 3.1.2 轨迹规划的一般性问题 通常将机械手的运动看作是工具坐标系{T }相对于工作坐标系{S } 的运动。这种描述方法既适用于各种机械手，也适用于同一机械手上装夹的各种工具。对于移动工作台（例如传送带），这种方法同样适用。这时，工作坐标系{S }的位姿随时间而变化。 常见的机器人作业有两种： 点位作业（PTP=point-to-point motion） 连续路径作业（continuous-path motion），或者称为轮廓运动（contour motion）。 3.1.2 轨迹规划的一般性问题 对抓放作业(pick and place operation)的机器人（如用于上、下料），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}和目标值{Tg}。在此，用“点”这个词表示工具坐标系的位置和姿态（简称位姿），例如起始点和目标点等，称为点到点运动（PTP, poing-to-point motion）。 ????对于另外一些作业，如弧焊和曲面加工等，不仅要规定机械手的起始点和终止点，而且要指明两点之间的若干中间点（称路径点），必须沿特定的路径运动（路径约束）。这类运动称为连续路径运动(continuous-path motion) 或轮廓运动(contour motion)。 3.1.2 轨迹规划的一般性问题 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，但是所规划的轨迹函数都必须连续和平滑，使得操作臂的运动平稳。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出。通常通过运动学反解得出关节位移，用逆雅可比求出关节速度，用逆雅可比及其导数求解关节加速度。 3.1.3 轨迹的生成方式 运动轨迹的描述或生成有以下几种方式： (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 在规划机器人的运动轨迹时，还需要弄清楚在其路径上是否存在障碍物（障碍约束）。路径约束和障碍约束的组合把机器人的规划与控制方式划分为四类，如表3.1所示。 3.1.4 轨迹规划涉及的主要问题 本章主要讨论连续路径的无障碍的轨迹规划方法。轨迹规划器可形象地看成为一个黑箱（见图3.1），其输入包括路径的设定和约束，输出的是机械手末端手部的位姿序列，表示手部在各离散时刻的中间位形 (configurations)。 3.1.4 轨迹规划涉及的主要问题 机械手最常用的轨迹规划方法有两种： 第一种方法要求用户对于选定的转变结点（插值点）上的位姿、速度和加速度给出一组显式约束（例如连续性和光滑程度等），轨迹规划器从一类函数（例如n次多项式）中选取参数化轨迹，对结点进行插值，并满足约束条件。 第二种方法要求用户给出运动路径的解析式；如为直角坐标