第七章 工业机器人的轨迹规划.pptx

第七章_工业机器人的轨迹规划1
工业机器人系统组成
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主要内容
机器人规划的基本概念
关节空间法
直角坐标空间法
轨迹的实时生成
路径的描述
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机器人规划的基本概念
所谓机器人的规划(P1anning),指的是——机器人根据自身的任务,求得完成这一任务的解决方案的过程。这里所说的任务,具有广义的概念,既可以指机器人要完成的某一具体任务,也可以是机器人的某个动作,比如手部或关节的某个规定的运动等。
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为说明机器人规划的概念,我们举下面的例子:
在一些老龄化比较严重的国家,开发了各种各样的机器人专门用于伺候老人,“给我倒一杯开水”,我们先不考虑机器人是如何识别人的自然语言,而是着重分析一下机器人在得到这样一个命今后,如何来完成主人交给的任务。
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首先,机器人应该把任务进行分解,把主人交代的任务分解成为“取一个杯子”、“找到水壶”、“打开瓶塞”、“把水倒人杯中”、“把水送给主人”等一系列子任务。这一层次的规划称为任务规划(Task planning),它完成总体任务的分解。
然后再针对每一个子任务进行进一步的规划。以“把水倒入杯中”这一子任务为例,可以进一步分解成为“把水壶提到杯口上方”、“把水壶倾斜倒水入杯”、“把水壶竖直“、“把水壶放回原处”等一系列动作,这一层次的规划称为动作规划(Motion P1anning),它把实现每一个子任务的过程分解为一系列具体的动作。
为了实现每一个动作,需要对手部的运动轨迹进行必要的规定,这是手部轨迹规划(Hand trajectory planning )。
为了使手部实现预定的运动,就要知道各关节的运动规律,这是关节轨迹规划(Joint trajectory planning)。
最后才是关节的运动控制(Motion control)。
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上述例子可以看出,机器人的规划是分层次的,从高层的任务规划,动作规划到手部轨迹规划和关节轨迹规划,最后才是底层的控制(见图)。在上述例子中,我们没有讨论力的问题,实际上,对有些机器人来说,力的大小也是要控制的,这时,除了手部或关节的轨迹规划,还要进行手部和关节输出力的规划。
智能化程度越高,规划的层次越多,操作就越简单。
对工业机器人来说,高层的任务规划和动作规划一般是依赖人来完成的。而且一般的工业机器人也不具备力的反馈,所以,工业机器人通常只具有轨迹规划的和底层的控制功能。
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取一个杯子
找到水壶
打开水壶
把水倒入杯中
把水送给主人
给主人倒一杯水
提起水壶到杯口上方
把水壶倾斜
把水壶竖直
把水壶放回原处
手部从A点移到B 点
关节从A点移到B点
图智能机器人的规划层次
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轨迹规划的目的是——将操作人员输入的简单的任务描述变为详细的运动轨迹描述。
例如,对一般的工业机器人来说,操作员可能只输入机械手末端的目标位置和方位,而规划的任务便是要确定出达到目标的关节轨迹的形状、运动的时间和速度等。这里所说的轨迹是指随时间变化的位置、速度和加速度。
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简言之,机器人的工作过程,就是通过规划,将要求的任务变为期望的运动和力,由控制环节根据期望的运动和力的信号,产生相应的控制作用,以使机器人输出实际的运动和力,从而完成期望的任务。这一过程表述如下图所示。这里,机器人实际运动的情况通常还要反馈给规划级和控制级,以便对规划和控制的结果做出适当的修正。
人机接口
规
划
控
制
机器人本体
要求的任务
期望的
运动和力
实际的
运动和力
控制作用
图机器人的工作原理示意图
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上图中,要求的任务由操作人员输入给机器人,为了使机器人操作方便、使用简单,必须允许操作人员给出尽量简单的描述。
上图中,期望的运动和力是进行机器人控制所必需的输入量,它们是机械手末端在每一个时刻的位姿和速度,对于绝大多数情况,还要求给出每一时刻期望的关节位移和速度,有些控制方法还要求给出期望的加速度等。