工業(yè)機器人運動軌跡規(guī)劃.ppt

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1、第4章 工業(yè)機器人運動軌跡規(guī)劃,主要內(nèi)容,,,,,機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,,,,,軌跡規(guī)劃問題與性能指標(biāo),常用機器人路徑控制方式,機器人軌跡規(guī)劃實例,1,2,3,4,【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1. 知識目標(biāo) 了解機器人軌跡規(guī)劃的基本概念。 熟悉機器人軌跡規(guī)劃的性能指標(biāo)。 掌握機器人的路徑控制方式。 掌握機器人運動軌跡規(guī)劃的基本方法。 2. 技能目標(biāo) 能夠進行點位運動軌跡示教及程序編寫與調(diào)試。 能夠進行連續(xù)路徑軌跡示教及程序的編寫與調(diào)試。 能夠進行復(fù)雜軌跡的程序編寫與調(diào)試。 3. 情感目標(biāo) 培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、規(guī)范操作的意識。 培養(yǎng)合作學(xué)習(xí)、團結(jié)協(xié)作的精神。,任務(wù)1 軌跡規(guī)劃問題與性能指標(biāo),【任務(wù)描述】

2、在本次任務(wù)中需要了解清楚軌跡規(guī)劃的重要性，軌跡規(guī)劃的基本概念和方式。路徑和軌跡規(guī)劃與受到控制的機器人從一個位置移動到另一個位置的方法有關(guān)。路徑與軌跡規(guī)劃既要用到機器人的運動學(xué)相關(guān)知識，也要用到機器人的動力學(xué)。本任務(wù)主要討論機器人的軌跡規(guī)劃問題和性能指標(biāo)。,任務(wù)1 軌跡規(guī)劃問題與性能指標(biāo),【知識儲備】 一、軌跡規(guī)劃問題 工業(yè)機器人廣泛的被用在各種行業(yè)應(yīng)用中來實現(xiàn)快速、精確和高質(zhì)量的生產(chǎn)任務(wù)。在抓取和放置操作，工業(yè)機器人的法蘭盤工具必須在工作空間中兩個特定的位置之間移動，而它在兩者之間的路徑卻不被關(guān)心。在路徑追蹤應(yīng)用中，比如焊接，切削，噴涂等，法蘭盤末端工具必須在盡可能保持額定的速度下，在三維

3、空間中遵循特定的軌跡運動。 用工具坐標(biāo)系相對于工件坐標(biāo)系的運動來描述作業(yè)路徑是一種通用的作業(yè)描述方法。它把作業(yè)路徑描述與具體的工業(yè)機器人、手爪或工具分離開來，形成了模型化的作業(yè)描述方法，從而使這種描述既適用于不同的機器人，也適用于在同一機器人上裝夾不同規(guī)格的工具。 關(guān)節(jié)空間中拾取操作的軌跡規(guī)劃，只是限定軌跡函數(shù)的啟動和終止兩個極限位置，對于函數(shù)曲線沒有強制性，因此，我們也就有很大的自由度選擇軌跡函數(shù)。,任務(wù)1 軌跡規(guī)劃問題與性能指標(biāo),【知識儲備】 二、軌跡規(guī)劃性能指標(biāo)分析 在進行軌跡規(guī)劃時，運動學(xué)的要求是工業(yè)機器人工作考慮的首要因素，同時還要綜合考慮工業(yè)機器人的工作轉(zhuǎn)速、質(zhì)量以及載

4、荷的大小等多種因素。 最大速度：機器人運動的速度。 最大加速度：機器人運動加速度最大值的大小，是影響機器人動力特性的主要因素。 3. 最大沖擊：機器人沖擊最大值的大小對機器人系統(tǒng)的動力特性有很大的影響，會直接影響機器人系統(tǒng)的殘余振動，影響機器人的動力學(xué)特性。 4. 軌跡規(guī)劃曲線的高階導(dǎo)數(shù)：加速度曲線能不能連續(xù)決定了軌跡規(guī)劃曲線能否接受剛性和柔性的沖擊，而加速度的導(dǎo)數(shù)曲線一一沖擊曲線是否連續(xù)，若其不連續(xù)，則沖擊曲線的改變值的多少對機器人動力特性有很大的影響。,任務(wù)1 軌跡規(guī)劃問題與性能指標(biāo),【拓展與提高】 機器人的作業(yè)過程可用手部位姿結(jié)點序列來規(guī)定，每個結(jié)點可用工具坐標(biāo)系相對于作業(yè)坐標(biāo)系的齊

5、次變換來描述。相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量可用運動學(xué)反解程序計算。 如圖4-2所示的機器人插螺栓作業(yè)，要求把螺栓從槽中取出并放入托架的一個孔中，用符號表示沿軌跡運動的各結(jié)點的位姿，使機器人能沿虛線運動并完成作業(yè)。設(shè)定Pi (i=0，l，2，3，4，5)為氣動手爪必須經(jīng)過的直角坐標(biāo)結(jié)點。參照這些結(jié)點的位姿將作業(yè)描述為如表4-2所示的手部的一連串運動和動作。,圖4-2機器人插螺栓作業(yè)的軌跡,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【任務(wù)描述】 本次任務(wù)主要是了解工業(yè)機器人控制中的路徑生成問題，以及路徑控制的分類。針對ABB的工業(yè)機器人路徑運動，主要介紹其運動控制指令。 【知識儲備】 運動軌跡是機器人為完成某

6、一作業(yè)，工具中心點（TCP）所掠過的路徑，是機器示教的重點。從運動方式上看，工業(yè)機器人具有點到點（PTP）運動和連續(xù)路徑（CP）運動2種形式。按運動路徑種類區(qū)分，工業(yè)機器人具有直線和圓弧2種動作類型。,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 一、點位控制方式(Point To Point) 這種控制方式的特點是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點上的位姿，如圖4-3所示。控制時只要求工業(yè)機器人快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)相鄰各點之間的運動,而對達到目標(biāo)點的運動軌跡則不作任何規(guī)定。,,圖4-3 點位控制方式示意圖,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 二、連續(xù)軌跡控制方式

7、(Continuous Point) 這種控制方式的特點是連續(xù)地控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間中的位姿，如圖4-4所示。要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度范圍內(nèi)運動，而且速度可控，軌跡光滑，運動平穩(wěn)，以完成作業(yè)任務(wù)。,,圖4-4 連續(xù)軌跡控制方式示意圖,,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 三、常用軌跡運動控制指令 1. MoveL讓機器人作直線運動 MoveL用來讓機器人TCP直線運動到給定的目標(biāo)位置，如圖4-5示意。當(dāng)TCP仍舊固定的時候，該指令也可以重新給工具定方向。該指令只能用在主任務(wù)T_ROB1，或者多運動系統(tǒng)的運動任務(wù)中。,,圖4-5 直線運動示意圖,

8、,,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 三、常用軌跡運動控制指令 1. MoveL讓機器人作直線運動 指令書寫格式為： MoveL Conc ToPoint ID Speed V | T Zone Z Inpos Tool WObj Corr Conc ：并發(fā)事件，數(shù)據(jù)類型：switch ToPoint：數(shù)據(jù)類型為robtarget ID ：同步ID，數(shù)據(jù)類型：identno Speed：數(shù)據(jù)類型為speeddata V：速度，數(shù)據(jù)類型：num T：時間，數(shù)據(jù)類型：num Zone：數(shù)據(jù)類型為zonedata,,,,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 三、常用軌跡運動控制指

9、令 1. MoveL讓機器人作直線運動 指令書寫格式為： Z：Zone，數(shù)據(jù)類型：num Inpos ：到位，數(shù)據(jù)類型：stoppointdata（停止點數(shù)據(jù)） Tool：數(shù)據(jù)類型為tooldata Wobj：工作對象，數(shù)據(jù)類型為wobjdata Corr ：改正，數(shù)據(jù)類型：switch,,,,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 三、常用軌跡運動控制指令 2. MoveJ 通過關(guān)節(jié)移動移動機器人 當(dāng)運動不必是直線的時候，MoveJ用來快速將機器人從一個點運動到另一個點，如圖4-6示意。機器人和外部軸沿著一個非直線的路徑移動到目標(biāo)點，所有軸同時到達目標(biāo)點。該指令只能用在主任務(wù)T_R

10、OB1中，或者在多運動系統(tǒng)中的運動任務(wù)中。 MoveJ Conc ToPoint ID Speed V | T Zone Z Inpos Tool WObj,,,,,,圖4-6 關(guān)節(jié)運動示意圖,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 三、常用軌跡運動控制指令 3. MoveC 讓機器人做圓弧運動 該指令用來讓機器人TCP沿圓弧運動到一個給定的目標(biāo)點，如圖4-7示意。在運動過程中，相對圓的方向通常保持不變。該指令只能在主任務(wù)T_ROB1中使用，在多運動系統(tǒng)中的運動任務(wù)中使用。 該指令的基本范例說明如下： MoveC Conc CirPoint ToPoint ID Speed V

11、| T Zone z Inpos Tool Wobj Corr,,,,,,圖4-7 圓弧運動示意圖,,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【知識儲備】 三、常用軌跡運動控制指令 4. MoveAbsJ把機器人移動到絕對軸位置 MoveAbsJ（絕對關(guān)節(jié)移動）用來把機器人或者外部軸移動到一個絕對位置，該位置在軸定位中定義。機器人和外部軸沿著一個非直線的路徑移動到目標(biāo)位置，所有軸在同一時間運動到目標(biāo)位置。 MoveAbsJ指令中機器人的最終位置，既不受工具或者工作對象的影響，也不受激活程序更換的影響，但是機器人要用到這些數(shù)據(jù)來計算負載、TCP 速度和轉(zhuǎn)角點。相同的工具可以被用在相鄰的運動指令中

12、。該指令只能被用在主任務(wù)T_ROB1中，或者在多運動系統(tǒng)中的運動任務(wù)中。,,,,,,圖4-7 圓弧運動示意圖,,任務(wù)2 常用機器人路徑控制方式,【拓展與提高】 在進行軌跡示教時，直線軌跡示教2個程序點（直線起始點和直線結(jié)束點）；圓弧軌跡示教3個程序點（圓弧起始點、圓弧中間點和圓弧結(jié)束點）。 機器人運動軌跡的示教主要是確認(rèn)程序點的屬性。每個程序點主要包含： 位置坐標(biāo)：描述機器人TCP的6個自由度（3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度）。 插補方式：機器人再現(xiàn)時，從前一程序點移動到當(dāng)前程序點的動作類型。 再現(xiàn)速度：機器人再現(xiàn)時，從前一程序點移動到當(dāng)前程序點的速度。 空走點：指從當(dāng)前程序點移動到下

13、一程序點的整個過程不需要實施作業(yè)，用于示教除作業(yè)開始點和作業(yè)中間點之外的程序點。 作業(yè)點：指從當(dāng)前程序點移動到下一程序點的整個過程需要實施作業(yè)，用于作業(yè)開始點和作業(yè)中間點。,,,,,,,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【任務(wù)描述】 本任務(wù)主要討論連續(xù)路徑的無障礙的軌跡規(guī)劃方法。軌跡規(guī)劃器可形象地看成為一個黑箱如圖4-8所示，其輸入包括路徑的“設(shè)定”和“約束”，輸出的是操作臂末端手部的“位姿序列”，表示手部在各離散時刻的中間形位。,,,,,,,,圖4-8 路徑規(guī)劃示意圖,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【知識儲備】 一、軌跡規(guī)劃基本方法分類 在工業(yè)機器人末端執(zhí)行工具的軌跡路徑控制

14、方法中，最常用的軌跡規(guī)劃方法有兩種： 第種方法要求用戶對于選定的軌跡結(jié)點(插值點)上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束(例如連續(xù)性和光滑程度等)，軌跡規(guī)劃器從一類函數(shù)(例如n次多項式)中選取參數(shù)化軌跡，對結(jié)點進行插值，并滿足約束條件。 第二種方法要求用戶給出運動路徑的解析式：如直角坐標(biāo)空間中的直線路徑，軌跡規(guī)劃器在關(guān)節(jié)空間或直角坐標(biāo)空間中確定一條軌跡來逼近預(yù)定的路徑。 二、插補方法分類 點位控制，即PTP控制，通常沒有路徑約束，多以關(guān)節(jié)坐標(biāo)運動表示。點位控制只要求滿足起終點位姿，在軌跡中間只有關(guān)節(jié)的幾何限制、最大速度和加速度約束，為了保證運動的連續(xù)性，要求速度連續(xù)，各軸協(xié)調(diào)。,,

15、,,,,,,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【知識儲備】 三、工業(yè)機器人軌跡控制過程 機器人的基本操作方式是示教-再現(xiàn)，即首先教機器人如何做，機器人記住了這個過程，于是它可以根據(jù)需要重復(fù)這個動作。 實際上，對于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個特征點，計算機就能利用插補算法獲得中間點的坐標(biāo)，如直線需要示教兩點，圓弧需要示教三點，通過機器人逆向運動學(xué)算法由這些點的坐標(biāo)求出機器人各關(guān)節(jié)的位置和角度(1, , n)，然后由后面的角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)要求的軌跡上的一點。繼續(xù)插補并重復(fù)上述過程，從而實現(xiàn)要求的軌跡。 機器人軌跡控制過程如圖4-9所示。,,,,,,,,,圖4-9 機器人軌跡控制過程

16、,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【拓展與提高】 一、直線插補 工業(yè)機器人軌跡控制的算法主要有直線軌跡插補算法以及和圓弧軌跡插補算法，對于非直線和圓弧軌跡，可以采用直線或圓弧逼近的方式實現(xiàn)這些軌跡。 在有些情況下要求變化姿態(tài)，這就需要姿態(tài)插補，可仿照下面介紹的位置插補原理處理，也可參照圓弧的姿態(tài)插補方法解決，如圖4-10所示。,,,,,,,,,圖4-10 空間直線插補,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【拓展與提高】 二、圓弧插補 1平面圓弧插補 平面圓弧是指圓弧平面與基坐標(biāo)系的三大平面之一重合，以XOY平面圓弧為例。已知不在一條直線上的三點P1、P2、P3及這三點對應(yīng)的機器

17、人手端的姿態(tài)，如圖4-11及圖4-12所示。,,,,,,,,,圖4-11 由已知的三點P1、P2、P3決定的圓弧,圖4-12 圓弧插補,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【拓展與提高】 二、圓弧插補 2. 空間圓弧插補 空間圓弧是指三維空間任一平面內(nèi)的圓弧，此為空間一般平面的圓弧問題。 空間圓弧插補可分三步來處理： 把三維問題轉(zhuǎn)化成二維，找出圓弧所在平面。 利用二維平面插補算法求出插補點坐標(biāo)(Xi+1, Yi+1)。 把該點的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)坐標(biāo)系下的值，如圖4-13所示。,,,,,,,,,圖4-13 基礎(chǔ)坐標(biāo)與空間圓弧平面的關(guān)系,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【拓展與提高】 二、

18、圓弧插補 3關(guān)節(jié)空間插補 如上所述，路徑點(結(jié)點)通常用工具坐標(biāo)系以相對于工作坐標(biāo)系位姿來表示。為了求得在關(guān)節(jié)空間形成所要求的軌跡，首先用運動學(xué)反解將路徑點轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)矢量角度值，然后對每個關(guān)節(jié)擬合一個光滑函數(shù)，使之從起始點開始，依次通過所有路徑點，最后到達目標(biāo)點。 （1）三次多項式插值 在操作臂運動的過程中，由于相應(yīng)于起始點的關(guān)節(jié)角度0是已知的。而終止點的關(guān)節(jié)角f可以通過運動學(xué)反解得到，因此，運動軌跡的描述，可用起始點關(guān)節(jié)角與終止點關(guān)節(jié)角度的一個平滑插值函數(shù)(t)來表示。(t)在t0=0時刻的值是起始關(guān)節(jié)角度0，終端時刻tf的值是終止關(guān)節(jié)角度f。顯然，有許多平滑函數(shù)可作為關(guān)節(jié)插值函數(shù)。

19、,,,,,,,,,任務(wù)3 機器人運動軌跡規(guī)劃基本方法,【拓展與提高】 二、圓弧插補 3關(guān)節(jié)空間插補 （2）過路徑點的三次多項式插值 一般情況下要求規(guī)劃過路徑點的軌跡。如圖4-15所示，機器人作業(yè)除在A、B點有位姿要求外，在路徑點C、D也有位姿要求。對于這種情況，假如末端執(zhí)行器在路徑點停留，即各路徑點上速度為0，則軌跡規(guī)劃可連續(xù)直接使用前面介紹的三次多項式插值方法；但若末端執(zhí)行器只是經(jīng)過，并不停留，就需要將前述方法推廣。,,,,,,,,,圖4-10 機器人作業(yè)路徑點,任務(wù)4 機器人軌跡規(guī)劃實例,【任務(wù)描述】 在本任務(wù)中主要通過工業(yè)機器人軌跡類應(yīng)用程序的編寫示例，掌握此類工作站程序的編寫方法和

20、軌跡運動指令的應(yīng)用。本任務(wù)以汽車前風(fēng)擋玻璃涂膠和車燈燈罩涂膠為例，展示軌跡運動程序的編寫。 【知識儲備】 一、工具坐標(biāo)系標(biāo)定方法 工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系設(shè)定方法可采用6點法標(biāo)定，詳見項目2中所述，在此不再贅述。 工件坐標(biāo)系建立及標(biāo)定采用4點法進行，詳細參考項目二。 二、基本運動控制指令 ABB機器人運動控制有MoveL、MoveJ、MoveC等，這些指令對具體使用方法在任務(wù)2中已詳細列出，在此不再詳細說明。,,,,,,,,,任務(wù)4 機器人軌跡規(guī)劃實例,【知識儲備】 三、機器人速度設(shè)置指令 在數(shù)據(jù)定義階段可以預(yù)先定義機器人運動速度如下： PERS speeddata vMinSpeed

21、:=50,50,1000,5000; PERS speeddata vMidSpeed:=100,100,1000,5000; PERS speeddata vMaxSpeed:=500,250,1000,5000; 【實踐操作】 一、汽車玻璃涂膠軌跡編程示例 應(yīng)用IRB1410工業(yè)機器人將所要涂抹的膠體均勻地涂抹在玻璃輪廓上，玻璃輪廓如下圖4-17中白色線標(biāo)示。,,,,,,,,,圖4-17 工作臺上玻璃輪廓,任務(wù)4 機器人軌跡規(guī)劃實例,【實踐操作】 一、汽車玻璃涂膠軌跡編程示例 工業(yè)機器人膠槍初始點位置在待涂膠的玻璃中心點正上方，如下圖4-18所示。運動的第一步即為將膠槍定位到玻璃邊

22、緣輪廓涂膠位置起始點的上方位置，見圖4-19所示。這兩步的程序編寫如下：,,,,,,,,,圖4-18 涂膠工業(yè)機器人初始位置,圖4-19 接近涂膠起始點位置,任務(wù)4 機器人軌跡規(guī)劃實例,【實踐操作】 二、燈罩涂膠軌跡編程示例 本次以汽車車燈燈罩涂膠為例，編寫燈罩涂膠軌跡程序，車燈涂膠軌跡較為復(fù)雜，對涂膠均勻性、外觀性都有較高的要求，這就要求工業(yè)機器人軌跡運動必須足夠精確，速度控制均勻，以保證布膠工藝精度。燈罩軌跡如下圖4-20所示，分別通過示教編程，使工業(yè)機器人完成左右兩個燈罩的軌跡運動。,,,,,,,,,圖4-20 燈罩軌跡,任務(wù)4 機器人軌跡規(guī)劃實例,【實踐操作】 二、燈罩涂膠軌跡編程示例 本次以汽車車燈燈罩涂膠為例，編寫燈罩涂膠軌跡程序，車燈涂膠軌跡較為復(fù)雜，對涂膠均勻性、外觀性都有較高的要求，這就要求工業(yè)機器人軌跡運動必須足夠精確，速度控制均勻，以保證布膠工藝精度。燈罩軌跡如下圖4-20所示，分別通過示教編程，使工業(yè)機器人完成左右兩個燈罩的軌跡運動。,,,,,,,,,圖4-20 燈罩軌跡,Thank You!,