| 标题 | 分析工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划 |
| 范文 | 冯振华 卢营 摘 要：针对工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划，从原理、要点、超调性与振捣性、实践应用这4个方面展开分析，从而了解到其重要作用，以期能够为我国工业发展提供动力。 关键词：工业机器人;高精度;路径跟踪;轨迹规划 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.118 现如今，科学、信息技术得到广泛应用，工业机器人也开始得到广泛运用，为工业行业改革以及发展提供了诸多支持。工业机器人作为现代化工业不可缺少的一部分，有利于提高工业生产效率，对于其实现企业长期发展有极为重要的意义。工业机器人非常关键的两个部位是手部路径跟踪、关节轨迹规划，在工业领域实现应用，能够在机器人路径中增加节点数量，并且提高节点路径分段处理效率，从而使工业机器人手部跟踪路径以及路径节点更加精准。 1 高精度路径跟踪与轨迹规划基本原理 将O0-X0Y0Z0假设为工业机器人坐标，按照工业机器人手部路径将起点设置为P0，终点设置为Pn，期间选择节点数量为（n+1），路径划分为n段。关节空间内的其中1个关节j（j=1～N，N代表工业机器人自由度），由起点开始直至终点的轨迹划分为n段，这一段轨迹以n个方程代表。在邻近的2个节点中间的手部路径中，再选择2个附加节点，这两个节点处于时间点t=ti-1+hi/3以及t=ti-1+2hi/3，这两个时间点分别对应的是时间以及节点之间的时间间隔。由此一来，起点至终点的节点数量也会增加为（3n+1）个。正因为如此，路径跟踪精度也得以提升[1]。 再如某工业机器人在时间t的影响下发生曲线位移。取点q0、qi-1、qi、qn，代表节点p0、pi-1、pi、pn，此外，取点βi作为附加节点Bi的关节坐标，γi作为Ci的关节坐标。假设to与tn为对应起点与终点的时间，如此一来区间[t0，tn]被划分为n段，其中1个子区间[ti-1，ti]节点数量为4个，也就是起点、终点和2个附加节点。由此可以确定两个附加节点的对应时间，具体如下：，其中hi=ti-ti-1。 2 工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划要点 工业机器人的手部路径跟踪以及关节轨迹在其运行中属于非常关键的构成部分，技术人员在控制工业机器人运行期间，为了能够缓解计算机控制在线压力，实现工业机器人的持久运行[2]，对工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划，主要包括以下几点内容： 第一，工业机器人在实际应用的过程中，为了有效控制工业机器人的坐标空间关节，可以使用在线控制这种方法，坐标空间内部增设与之对应的节点，并且对其进行准确定位，利用拟合这种手段控制对节点，从而获得新的关节轨迹。 第二，节点控制过程中，对于规定的关节轨迹运动，可以获得最佳的关节运动成效，确保其可以实现持续运行。一旦工业机器人内部的节点数量越来越多，这时工业机器人路径跟踪精准度随之提升，增加关节轨迹的分段以及关节观点运动量。 工业机器人处于运行过程中，手部路径跟踪准确性比较高，在这一前提下，机器人首尾两端路径节点数量会减少，若节点下降控制不到位，便会影响到所有路径节点，甚至会威胁到工业机器人有序运行[3]。所以，工业机器人运行过程中技术人员必须要对机器人首尾节点进行准确控制，首尾节点内部设置合适的正弦、余弦函数，内部的结构转换为乘积这种模式，从而提高工业机器人控制效果。 例如O0-X0Y0Z0是某工业机器人坐标，由此可以确定该工业机器人起始位置为手部路径，即P0，起点至尾部条件即为Pn，从而获得（n+1）个节点，其中P0和P1的节点一般会利用路径分段这种方法组织计算，获得工业机器人内 Qj0点至终点 Qjn之间的位置，并且利用整段轨迹完成分段，这时工业机器人实时高精度路径跟踪与关节规划便可以顺利进行。 3 工业机器人超调性与振荡性问题 3.1 超调性 所謂超调，即关节坐标不符合上、下界要求，区间[ti-1，ti]（i=2，3，...n-1）中的一点（t）为3次多项式曲线，其中只有1个或者无拐点。然而因为新增两个三角函数，因此不管该区间中（t）是否存在拐点，新增的关节轨迹（t）在区间中的最大、最小值是否存在于四个节点都带有不确定性。然而，正弦、余弦函数对附加节点对应可以获得幅值，且该幅值大于区间中的其余节点数值。正因为如此，区间中的新增的关节轨迹（t）最大与最小值与节点的最大、最小值。所以，技术人员设置轨迹远离关节边界值。便可以避免超调问题。 同时，针对工业机器人实时高精度路径跟踪与关节规划这一工作，实践操作过程中建议着重体现关节坐标界值，并且通过有效的控制方法使其始终为与工业机器人中间，按照工业机器人当下的运行状态控制坐标曲线[4]。与此同时，技术人员需要突出拐点，使工业机器人实时高精度路径跟踪与关节规划得以正常进行。一旦工业机器人实时高精度路径跟踪与关节规划所涉及到的节点数值不高，机器人节点轨迹表现形式便会发生变化，避免节点轨迹超调问题。 3.2 振荡性 针对工业机器人实时高精度路径跟踪与关节规划中所涉及到的震荡性，为了避免这一问题必须要在规划的过程中着重控制关节轨迹，在关节轨迹中附加相应的节点，以此保证工业机器人实时高精度这一性能。要想真正解决震荡性问题，控制节点坐标值也非常重要，可以规避振荡现象、减小振荡幅度，高效完成工业机器人实时高精度路径跟踪与关节规划。 另外，技术人员要认识到的是，区间[ti-1，ti]（i=2，3，...n-1）中设置函数，一方面可以规避关节轨迹振荡现象，另一方面也可以使关节轨迹顺利的通过附加节点，保证轨迹跟踪的高精度。区间中运用到三角函数，其周期为区间长度倍，且两个三角函数进行叠加，所获得的曲线或在区间中形成一次振荡。如此一来，无论区间中的3次多项式函数（t）是否存在拐点，且新增关节轨迹（t）会形成1到2次振荡。然而，因为区间整体来说较小，所以内部的关节坐标值并不会出现显著的变化，加之三角函数获取幅值务必要在节点上，所以这就会对三角函数的幅值造成限制。相应的轨迹段中，即便关节轨迹出现振荡，但是幅度整体来说也比较下，不会造成工业机械设备损坏。区间[t0，t1]或者是[tn-1，tn]中，三角函数的周期为区间长度二倍，但是因为其中两个三角函数为正弦函数，其余一个为余弦函数，因此将这三个函数进行叠加，所得曲线会在区间中形成一次振荡。如此一来，无论这三次多项式函数是否在区间中存在拐点，新增关节轨迹都会产生1到2次的振荡。与此同时，因为节点、附加节点关节坐标值会对函数幅值造成影响，因此即便2个轨迹段中存在关节轨迹振荡，振荡的幅度也不会很大。 4 工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划实践应用 某工业企业中运用PUMA560机器人，该型号机器人为6自由度，按照以上所述方式展开附加节点路径跟踪的模拟操作。为了提高路径跟踪高精度，实际进行模拟操作过程中，将机器人手部设定路线当作直线，且设置基础坐标系O0-X0Y0Z0以及直线起点、重点坐标，分别为Pox=500mm、Poy=700mm、Poz=-500mm，Pnx=-600mm、Pny=700mm、Pny=-460mm。这时技术人员通过动态图形仿真技术，将机器人手部运行路线加以显示，如果假设时间区间为[t0，t1]，并且将其划分为n个子区间，其中所有子区间的长度为h，由此便可以得出直线路径参数方程，如下： 如果机器人的手部按照这一直线路径进行运动，且运行的状态维持不变，这时可以确定欧拉角分别是φ=-55°，θ=175°，=-100°。实际进行仿真模拟的过程中，分别设置关节速度矢量、角速度矢量、t0、tn和n，最后求得h为1.5s。当确定机器人手部跟踪笛卡儿空间内直线路径、各轴的方向跟踪。分析可知当新增函数引入后，直接提高了直线路径精度，与设定直线更为接近，由此可知以上所述方法可以有效解决超调性、振捣性问题。 5 结束语 综上所述，工业机器人实时高精度路径跟踪与轨迹规划在行业领域有非常重要的地位，做好这一项工作可以有效提高工业生产效率，从而推动我国工业发展。 参考文献： [1]朱宝林，许四祥，郝奇，江天琦.等离子去板坯毛刺机器人轨迹规划与仿真[J].太原科技大学学报，2019，40（02）：143-149. [2]黄忠明，陈爱文，黄凤良.基于正弦加减速控制算法的工业机器人位姿轨迹规划研究[J].制造业自动化，2019，41（02）：31-34. [3]鄢光辉.三菱六轴工业机器人的智能控制与程序编制[J].电子测试，2019（04）：73-75. [4]田国富，郑博涛，孙书会，姜春旭.基于内插法的工业机器人关节空间轨迹规划[J].重型机械，2019（01）：54-56. |
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