機器人運動軌跡規(guī)劃分析

摘 要：該文就機器人的基礎(chǔ)設(shè)計、運動學分析、軌跡規(guī)劃等幾個部分對機器人進行了較深入的研究。對救援機器人的結(jié)構(gòu)與運動特點進行相關(guān)運動學分析。在分析過程中，分解了機器人的位姿，并分別用關(guān)節(jié)角度來表示，以關(guān)節(jié)的角度為中間量求解運動學方程，避免了大量矩陣的求逆的運動學計算，求解過程簡單方便，大大提高了計算的速度，對于機器人的實時在線控制，具有較大的實用價值。

關(guān)鍵詞：機器人運動學分析 末端夾持器 軌跡規(guī)劃

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-00-01

1 工業(yè)機器人

機器人技術(shù)是綜合計算機、控制理論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等等多個學科形成的高新技術(shù)，是現(xiàn)今研究相當活躍，應(yīng)用日益廣泛的前沿領(lǐng)域。機器人的應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是簡單意 義上的代替人工的勞動，是綜合了人特長和機器特長的一種擬人電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的分析判斷和快速反應(yīng)能力，又有機器可長時持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說也是機器發(fā)展的產(chǎn)物，是工業(yè)及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)品和服務(wù)性的設(shè)備，更是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。論文主要研究內(nèi)容：（1）對救援機器人的關(guān)節(jié)形式進行了分析的基礎(chǔ)上，以大小臂長度為二維函數(shù)進行了設(shè)計，使機器人的末端能夠滿特定條件下的抓取任務(wù)；（2）采用插入物體從上方，抓取方式為中間托起，設(shè)計出了一種夾持器是新型末端的，可實現(xiàn)可靠的夾持，對瓶裝類物體；（3）針對其機器人的結(jié)構(gòu)特點，將位姿進行分解，避開的是建立連桿方式矩陣的方法，應(yīng)用簡易易懂方法進行分析運動學。（4）在已經(jīng)設(shè)定了路徑前提下，將5個關(guān)節(jié)在完成作業(yè)任務(wù)的方式劃分在關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間分別進行軌跡規(guī)劃，在相應(yīng)空間中建立數(shù)學模型，并對MATLAB軌跡仿真得到的結(jié)果進行了討論。為了滿足救援要求，所以不僅要將物體完成位置變化，而且要求姿態(tài)的變化。為完成該任務(wù)考慮機器人的關(guān)節(jié)及其形式，由于分布的范圍較廣，基座需要有一個繞z軸方向的自由度1，用來調(diào)節(jié)機械臂到達不同抓取與釋放位置的指向；為了調(diào)節(jié)機械臂末端到達位置的遠近還需要有大臂與小臂兩個自由度2與3；考慮到救援物體可能較重，救援過程中應(yīng)保持腕部始終朝下，以減小末端重物對機器人產(chǎn)生的附加力矩，這需要增加一個腕部自由度4；由于抓取與釋放都保證末端夾持器側(cè)壁的方向，這樣調(diào)整末端姿態(tài)也需要一個自由度5。該文考慮到計算的繁簡程度，夾持器的夾取動作的自由度不做考慮。

2 機器人運動學計算

機器人的運動學就是建立起機器人末端與機器人其他各關(guān)節(jié)連桿之間的運動關(guān)系。機器人的運動。學是專門研究物體的運動規(guī)律，它涉及到正運動學與逆運動學問題。本章以末端坐標與各關(guān)節(jié)角。轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，根據(jù)搬運機器人的動作特點來進行運動學分析。設(shè)計過程以紙箱側(cè)板作為障礙物，使末端夾持器到達紙箱內(nèi)四個極限位置（最遠上、最遠下、最近上、最近下）作為約束，進行尺寸優(yōu)化設(shè)計；為使機器人結(jié)構(gòu)緊湊，且受力狀況良好，在保證機器人末端可達范圍足夠大的同時，應(yīng)使機器人的大臂和小臂長度之和最小，并驗算大、小臂是否會與紙箱側(cè)板發(fā)生干涉。

（1）設(shè)定機器人基座距側(cè)板距離為100紙箱為（360 mm240 mm260 mm）

（2）箱內(nèi)所裝瓶數(shù)為46=24瓶

（3）箱內(nèi)留有適當空隙

在機器人工作過程中，考慮到機器人的承載能力，以及在夾持過程中會有障礙物問題，要保證機械臂不與其發(fā)生碰撞。由于在各個位置處，大臂不發(fā)生碰撞的角度是不同的，因而在此討論不同極限位置時大臂的最小仰角問題?？紤]到杠桿傳動的效率以及銷與滑槽傳動的效率，取機構(gòu)傳動的效率為0.85，故此機構(gòu)的實際驅(qū)動力為 =62.2/0.85=73.2（N）

從分析過程來看，仿真能夠快速反映出關(guān)節(jié)運行情況。得到的不同仿真結(jié)果能夠 預(yù)測出關(guān)節(jié)運行過程中可能存在的危險，這在生產(chǎn)實踐中具有一定的應(yīng)用價值。

3 軌跡規(guī)劃分析

機器人的軌跡，指機器人的每一個自由度在運動過程中每個時刻的位置、速度和加速度，確定這些軌跡參數(shù)的過程稱之為軌跡規(guī)劃。其目的是根據(jù)任務(wù)要求，通過一定的方法，計算出預(yù)期的運動軌跡。如給定有關(guān)路徑和軌跡的若干約束和簡單描述（目標位姿、路徑點、持續(xù)時間、速度、加速度等），通過軌跡規(guī)劃環(huán)節(jié)就可獲得機器人完成這一任務(wù)的具體運動細節(jié)。機器人的路徑定義為機器人位姿的一個特定序列，它不考慮機器人位姿的時問因素。即如果機器人沿著一條特定曲線從A點運動到B點，那么曲線上所保持的位姿序列就構(gòu)成了一條路徑。與軌跡不同的是，軌跡則與何時到達路徑中的每個部分有關(guān)，即軌跡強調(diào)了時間性。因此，不論機器人何時到達B點，其路徑都會是一樣的；而軌跡則依賴于速度和加速度。如果機器人抵達B點的時間不同，則相應(yīng)的軌跡會有所不同；即使時間相同，而運動過程中的速度、加速度不同，軌跡亦有所差異。因而，作為軌跡規(guī)劃的必要基礎(chǔ)，應(yīng)首先進行搬運機器人的路徑規(guī)劃。類同于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，在笛卡爾空問看，末端完成一個完整的運動，其動作過程也至少包含一個加速段和一個減速段（其余部分作速度為的勻速運動）。如果在加減速過程中的時間相等，且加速段的終速度與減速段的初速度相同，那么加速與 減速段經(jīng)由的位移也相同，那么該運動至少要使末端移動2（一），即末端總位移量>2（一）：當2（一）時，我們可以通過令末端位移在加速段中令=0。

該文中采用局部規(guī)劃方法中的人工勢場法來進行路徑規(guī)劃。人工勢場法的基本思想是將機器人在環(huán)境中的運動視為一種虛擬的人工受力場中的運動。障礙物被排斥勢場包圍，對機器人產(chǎn)生斥力，排斥力隨機器人與障礙物的距離的減少而迅速增大；目標被引力勢場包圍，對機器人產(chǎn)生引力，吸引力隨機器人與目標的接近而減小；這樣將引力與斥力的合力作為控制機器人的運動方向，最后形成機器人的作業(yè)

路徑。

參考文獻

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