工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃研究

張小紅

（平頂山技師學院 河南·平頂山 467000）

工業(yè)機器人必須要經(jīng)過一個設定好的路徑才能完成一項任務，到達工作點之后進行作業(yè)，因此要提前規(guī)劃工業(yè)機器人的運動路徑。軌跡規(guī)劃的好壞是保證工業(yè)機器人是否能夠準確的運動從而完成特定任務的基礎，因此需要設計一條軌跡最大程度上能夠接近目標路徑，使機器人的初始位態(tài)經(jīng)過實際路徑到達用戶給予的目標位態(tài)，然后求出各關節(jié)的速度、加速度以及位置的過程[2]。一個好的軌跡規(guī)劃方法，不僅可大大提高機器人的工作效率，還能夠保證機器人穩(wěn)定準確的運行，并且降低了機器人各關節(jié)之間的磨損。

1 關節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法

工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃方法主要有：關節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃。關節(jié)空間軌跡規(guī)劃就是把機器人的關節(jié)變量轉(zhuǎn)換成和時間有關的函數(shù)，再對六軸機器人的角速度和角加速度進行約束。笛卡爾空間軌跡規(guī)劃是將在笛卡爾空間中機器人末端的位移、速度和加速度轉(zhuǎn)換成時間的函數(shù)。現(xiàn)主要研究關節(jié)空間中軌跡規(guī)劃。

機器人運動中所經(jīng)過的點通常由其在空間中的位置表示，因此在路徑規(guī)劃之前，首先，利用逆運動學將運動路線中的點變換為角度值，再操作每個關節(jié)進行函數(shù)擬合，以便函數(shù)盡可能地通過所有預設點，到達目標點完成工作任務。雖然擬合的每段軌跡之間沒有相關性，但為保證每個桿件都可以同時到達目標點，就要使每個關節(jié)有相同的運動時間，以使機器人達到預期的位姿狀態(tài)并完成工作任務。

關節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法是用關節(jié)角度的函數(shù)來描述機器人的運動路線，所以起始點和目標點之間的形狀是不需要考慮的。要對關節(jié)空間進行路徑規(guī)劃，先要知道機器人的起點和終點相對于基坐標系的位置和姿態(tài)，再求解它的逆運動學，得出對應點各關節(jié)的角度值，并選擇插值函數(shù)進行擬合和插值，得出機器人末端的瞬時角位移、速度和加速度隨時間變化的曲線。當對機器人關節(jié)插值時，某些約束應滿足，比如：開始點、放下點和終止點，對于這些點的位姿、速度以及加速度的情況要求已知，另外各個關節(jié)的角位移、速度和加速度還需確保連續(xù)平滑。上述條件在滿足以后，就可以規(guī)劃機器人的運動軌跡，在規(guī)劃過程中通過選用不同的插值函數(shù)，此時就得到不同的軌跡曲線。

在關節(jié)空間中插值的時候，可依據(jù)設計變換函數(shù)，較為常用的插值函數(shù)為三次多項式插值、五次多項式插值和拋物線過渡的線性插值函數(shù)。插值函數(shù)選用的不同得到的運動軌跡也不一樣，比如使用三次多項式插值，雖然運算過程相對簡單些，但得到的軌跡有出現(xiàn)不連續(xù)情況的可能。而使用五次多項式插值就不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，雖然它的插值計算方法和三次多項式類似，但是能得到相對比較平滑的軌跡。拋物線過渡的線性插值函數(shù)是在簡單線性插值函數(shù)基礎上改進的方法，使簡單線性插值函數(shù)在起點和終點處出現(xiàn)的問題得以改善。

1.1 三次多項式插值

三次多項式插值多用于機器人起點和終點速度為零的情形，限制關節(jié)在起點和終點的角度值，確定機器人運動路徑兩端點的位置角速度為定值。設關節(jié)角滿足以下式子。

指定三項插值的經(jīng)過點，經(jīng)過MATLAB仿真得出三項插值的位置、速度和加速度[3]圖形如圖1所示。由圖可知，只要給定離散點的位置速度和時間，就可以插補出一段連續(xù)平滑的曲線。但是此種方法的角加速度并不是連續(xù)的，因此對于需要考慮角加速度的運動，此種方法并不適用。

圖1：三次多項式的位置、速度和角加速度

1.2 五次多項式插值

利用三次多項式插值，根據(jù)經(jīng)過點的軌跡的特點得出位置和速度是連續(xù)的，但是加速度是不連續(xù)的。雖然三次多項式預定的軌跡有一定“平滑”，但是這種方法對一些動力學和慣性載荷的應用會產(chǎn)生影響。想要得到連續(xù)的加速度軌跡，位置和速度要有合適的初始和終止條件，以及合適的初始和終止加速度值。這樣方式有六個邊界條件，因此需要采用五次多項式。

在五次多項式插值中，角位移、角速度和角加速度的函數(shù)表達式可表示為：

相對于三次多項式插值方法，增加了對起始點的角速度的約束。

指定的五階多項式插值的經(jīng)過點，通過MATLAB仿真得出五次多項式插值的位置、速度和角加速度如圖2所示。由圖可知，角加速度是連續(xù)的，并沒有跳變情況出現(xiàn)。

圖2：五次多項式插值下的位置、速度和角加速度

2 結(jié)論

本文研究了關節(jié)空間中軌跡規(guī)劃的插值方法，即關節(jié)空間下的三次多項式插值和五次多項式插值，利用Matlab對三次多項式插值和五次多項式插值進行仿真實驗，通過仿真結(jié)果可以看出，五次多項式在加速度方面優(yōu)于三次多項式的結(jié)果。