机器人轨迹规划(熊友伦)

所谓轨迹、是指操作臂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。通常将操作臂的运动看作是工具坐标系相对于工作坐标系的运动。对于点位作业,需要描述它的起始状态和目标状态,对于曲面加工,不仅要规定操作臂的起始点和终止点,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)。这类称为连续路径运动或轮廓运动。

       在规划机器人的运动时,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将机器人的规划与控制方式划分为4类。PP95

       轨迹规划器可看成是黑箱,其输入包括路径的“设定”和“约束”,输出是操作臂末端手部的“位姿序列”,表示手部在各个离散时刻的中间形位。操作臂最常用的轨迹规划方法有两种:第一种要求用户对于选定的轨迹结点(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;如直角坐标空间中的直线路径,轨迹规划器在关节空间或直角坐标空间中确定一条轨迹来逼近预定的路径。第一种方法中,约束的设定和轨迹规划均在关节空间进行。由于对操作臂手部(直角坐标形位)没有施加任何约束,用户很难弄清手部的实际路径,因此可能会发生与障碍物相碰。第二种方法的路径约束是在直角坐标空间中给定的,而关节驱动器是在关节空间中受控的。因此,为了得到与给定路径十分接近的轨迹,首先不许采用某种函数逼近的方法将直角坐标路径约束转化为关节坐标路径约束,然后确定满足关节路径约束的参数化路径。

       轨迹规划既可在关节空间也可在直角空间中进行,但是做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。在关节空间进行规划时,是将关节变量表示成为时间的函数,并规划它的一阶和二阶时间导数;在直角空间进行规划是指将手部位姿、速度和加速度表示为时间的函数。而相应的关节位移、速度和加速度由手部的信息导出。通常通过运动学反解得出关节位移,用逆雅克比求出关节速度,用逆雅克比及其导数求解关节加速度。

       用户根据作业给出各个路径结点后,规划器的任务包含:解变换方程、进行运动学反解和插值运算等;在关节空间进行规划时,大量工作是对关节边路的插值运算。

       关节轨迹的插值:为了求得在关节空间形成所要求的轨迹,首先运用运动学反解将路径点转换成关节矢量角度值,然后对每个关节拟合一个光滑函数,使之从起始点开始,依次通过所有路径点,最后到达目标点。对于每一段路径,各个关节运动时间均相同,这样保证所有关节同时到达路径点和终止点,从而得到工具坐标系应有的位置和姿态。但是,尽管每个关节在同一段路径中的运动时间相同,各个关节函数之间却是相互独立的。

       总之,关节空间法是以关节角度的函数来描述机器人的轨迹的,关节空间法不必在直角坐标系中描述两个路径点之间的路径形状,计算简单,容易。再者,由于关节空间与直角坐标空间之间不是连续的对应关系,因而不回发生机构的奇异性问题。

       在关节空间中进行轨迹规划,需要给定机器人在起始点、终止点手臂的形位。对关节进行插值时,应满足一系列约束条件。在满足所有约束条件下,可以选取不同类型的关节插值函数,生成不同的轨迹。插值方法有:

       1、三次多项式插值;2、过路径点的三次多项式插值;3、高阶多项式插值;4、用抛物线过渡的线性插值;5、过路径点的用抛物线过渡的线性插值。

       笛卡尔空间规划法:

一、物体对象的描述

相对于固接坐标系,物体上任一点用相应的位置矢量表示,任一方向用方向余弦表示,给出物体的几何图形及固接坐标系后,只要规定固接坐标系的位姿,便可重构该物体。

二、作业的描述

在这种轨迹规划系统中,作业是用操作臂终端抓手位姿的笛卡尔坐标结点序列规定的,因此,结点是指表示抓手位姿的齐次变换矩阵。相应的关节变量可用运动学反解程序计算。

三、两个结点之间的“直线”运动

       操作臂在完成作业时,抓手的位姿可以用一系列结点P来表示。因此,在直角坐标空间中进行轨迹规划的首要问题是由两结点pipi+1所定义的路径起点和终点之间,如何生成一系列中间点。两结点间最简单的路径是在空间的一个直线移动和绕某轴的转动。若运动时间给定之后,则可产生一个使线速度和角速度受控的运动。

四、两段路径之间的过渡

       为了避免两段路径衔接点处速度不连续,当由一段轨迹过渡到下一段轨迹时,需要加速或减速。

五、运动学反解的有关问题

       主要是笛卡尔路径上解的存在性(路径点都在工作空间之内与否)、唯一性和奇异性。

1、  第一类问题:中间点在工作空间之外。在关节空间中进行规划不会出现这类问题。

2、  第二类问题:在奇异点附近关节速度激增。想PUMA这类机器人具有两种奇异点:工作空间边界奇异点和工作空间内部的奇异点。在处于奇异位姿时,与操作速度(笛卡尔空间速度)相对应的关节速度可能不存在(无限大)。可以想象,当沿笛卡尔空间的直线路径运动到奇异点附近时,某些关节速度将会趋于无限大。实际上,所容许的关机速度是有限的,因而会导致操作臂偏离预期轨迹。

3、  第三类问题:起始点和目标点有多重解。问题在于起始点与目标点若不用同一个反解,这时关节变量的约束和障碍约束便会产生问题。

正因为笛卡尔空间轨迹存在这些问题,现有的多数工业机器人的控制系统具有关节空间和笛卡尔空间的轨迹生成方法。用户通常使用关节空间法,只是在必要时,才采用笛卡尔空间方法。

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