文档介绍：注:1)2008年春季讲课用;2)带下划线的黑体字为板书内容;3)公式及带波浪线的部分为必讲内容
第4章轨迹规划
本章主要介绍工业机器人任务规划的主要内容和主要算法,使读者对工业机器人的控制内容和控制过程有一个比较清楚的了解,为下一章工业机器人控制打下一定基础。
工业机器人任务规划的一般概念
工业机器人在完成给定的作业任务之前,应该规定它的操作顺序、行动步骤和作业进程。在人工智能的研究范围中,规划实际上就是一种问题求解技术,即从某个特定问题的初始状态出发,构造一系列操作步骤(也称算子),使之达到解决该问题的目标状态。工业机器人任务规划所涉及的范围十分广泛,如图4-1所示,任务规划器根据输入的任务说明,规划执行任务所需的运动信息,此运动信息作为工业机器人控制器的输入信息。控制器根据操作臂的运动学模型和动力学模型以及传感器(包括视觉)在线采集的数据产生控制指令。
F(t)
压缩的数据
q(t)
I(K, x)
x(t)
工具
t(t)
qd(t)
{xk}
任务
环境
图4-1 任务规划器
机器人
控制器
任务
规划器
轨迹
规划器
操作臂
运动学
操作臂
动力学
图象
分析器
摄象机
力传感器
本章在操作臂运动学和动力学的基础上,讨论在关节空间和操作空间中工业机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。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。
首先对工业机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述。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,让规划器确定到达该目标的路径点、持续时间、运动速度等轨迹参数。并且,在计算机内部描述所要求的轨迹,即选择****惯规定及合理的软件数据结构。最后,对内部描述的轨迹,实时计算工业机器人运动的位移、速度和加速度,生成运动轨迹。每一轨迹点的计算时间要与轨迹更新速率合拍,在现有的工业机器人控制系统中,这一速率在20~200Hz之间。
轨迹规划的一般性问题
通常将操作臂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操作臂,也适用于同一操作臂上装夹的各种工具。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。
对点位作业(pick and place operation)的工业机器人(如用于上、下料的工业机器人),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{Tf}。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。
对于另外一些作业,如弧焊和曲面加工等,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(continuous-path motion)或轮廓运动(contour motion),而前者称点到点运动(PTP=Point-to-Point motion)。
在规划工业机器人的运动时,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工业机