第七章工业机器人的轨迹规划及编程
第七章工业机器人的轨迹规划
7
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。
19
线性函数插值图
利用抛物线过渡的线性函 数插值图
20
7.3 直角坐标空间法
前面介绍的在关节空间内的规划，可以保证运动 轨迹经过给定的路径点。但是在直角坐标空间，路径 点之间的轨迹形状往往是十分复杂的，它取决于机械 手的运动学机构特性。在有些情况下，对机械手末端 的轨迹形状也有一定要求，如要求它在两点之间走一 条直线，或者沿着一个圆弧运动以绕过障碍物等。这 时便需要在直角坐标空间内规划机械手的运动轨迹．
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，这些机器人有不少是采 用声控的方式．比如主人用声音命令机器人“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。
4
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。
5
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。
机器人轨迹规划
优点是能够充分利用各种方法 的优势，提高轨迹规划的性能
。
缺点是需要考虑不同方法之间 的协调和融合问题，增加了实
现的难度。
03
机器人轨迹规划的应用场景
工业制造
自动化生产线
在工业制造中，机器人轨迹规划 可用于自动化生产线上，执行物 料搬运、装配、检测等任务，提 高生产效率和质量。
智能仓储管理
通过机器人轨迹规划，可以实现 智能仓储管理，包括货物的自动 分拣、搬运和堆垛，优化仓储空 间利用。
控制精度
提高轨迹控制的精度，减小执行 误差，提高作业质量。
鲁棒性
在不确定性和干扰下，保证轨迹 规划与控制的稳定性和可靠性。
05
机器人轨迹规划的案例分析
案例一：工业机器人的轨迹规划
总结词
精确、高效、安全
详细描述
工业机器人轨迹规划的目标是在保证精确度的前提下，实现高效、安全的生产。通过对机器人的运动 轨迹进行优化，可以提高生产效率，降低能耗，并确保机器人在工作过程中不会发生碰撞或超出预定 范围。
机器人轨迹规划
汇报人： 202X-12-23
目 录
• 机器人轨迹规划概述 • 机器人轨迹规划算法 • 机器人轨迹规划的应用场景 • 机器人轨迹规划的未来发展 • 机器人轨迹规划的案例分析
01
机器人轨迹规划概述
定义与目标
定义
机器人轨迹规划是指根据给定的起点 和终点，通过计算机器人关节角度的 变化，使其能够以最优的方式从起点 移动到终点的过程。
避免碰撞
通过对机器人运动路径的精确规划， 可以确保机器人在工作环境中安全地 避开障碍物，避免与周围物体发生碰 撞。
机器人轨迹规划的挑战
01
环境不确定性
工业机器人编程流程和注意事项
工业机器人编程流程和注意事项下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor. I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!工业机器人编程是指使机器人完成预期任务的过程，它涉及到机器人的运动规划、路径规划、轨迹规划、控制算法等多个方面。
工业机器人的定位与轨迹规划技术研究
工业机器人的定位与轨迹规划技术研究摘要：工业机器人的定位与轨迹规划技术对于现代制造业的自动化生产具有重要意义。
本文首先介绍了工业机器人的定位和轨迹规划的基本概念，并分析了其在制造业中的应用前景。
接着，文章探讨了工业机器人定位的几种常见方法，包括传感器测量、视觉识别和激光测距等技术。
同时，针对工业机器人的轨迹规划技术，本文对其关键问题进行了详细分析，并介绍了几种常用的轨迹规划算法。
最后，文章总结了当前工业机器人定位与轨迹规划技术存在的挑战与发展趋势。
1.引言工业机器人作为现代制造业中的重要生产工具，其定位与轨迹规划技术对于保障生产质量和提高生产效率具有重要意义。
工业机器人的定位与轨迹规划技术的研究不仅涉及到传感器技术、计算机视觉和机器学习等领域，还需要结合制造业需求进行系统的研究和应用。
2.工业机器人的定位方法工业机器人的定位是指机器人在工作空间内准确获得自身位置和朝向信息的过程。
传感器测量、视觉识别和激光测距是工业机器人常用的定位方法。
传感器测量方法通过测量工作环境中的物理参数来获得机器人的位置信息，如接触式力传感器、压力传感器等。
视觉识别方法通过机器视觉系统识别环境中的特征来实现机器人的定位，如摄像头和图像处理技术。
激光测距方法通过激光雷达测量距离来获取机器人的位置信息，实现定位功能。
3.工业机器人的轨迹规划问题工业机器人的轨迹规划问题是指机器人在工作空间内根据任务需求确定运动轨迹的过程。
对于工业机器人而言，轨迹规划的关键问题包括路径规划和避障规划。
对路径规划来说，主要考虑的是如何在空间中找到一条最短路径或最优路径来完成任务。
而避障规划则是针对机器人在工作过程中如何避免碰撞的问题。
针对这些问题，现有的轨迹规划算法可以分为基于搜索的方法、优化算法和机器学习方法。
其中，基于搜索的方法包括蚁群算法、遗传算法等，优化算法包括克罗德算法和遗传算法等，机器学习方法则是通过训练数据来学习机器人的轨迹规划模型。
机器人运动轨迹规划
机器人运动轨迹规划随着科技的不断发展，机器人已经成为了现代工业和日常生活中的重要角色。
而机器人的运动轨迹规划则是机器人能够高效执行任务的关键。
在这篇文章中，我们将探讨机器人运动轨迹规划的原理、挑战以及应用。
第一部分：机器人运动轨迹规划的基础原理机器人的运动轨迹规划是指利用算法和规则来确定机器人在工作空间内的行动路径。
它需要考虑机器人的动力学特性、环境条件以及任务需求。
运动轨迹规划主要分为离线规划和在线规划。
在离线规划中，机器人事先计算出完整的轨迹，并在执行过程中按照预定的轨迹行动。
这种规划方式适用于对工作环境已经事先了解的情况，例如工业生产线上的自动化机器人。
离线规划的优点是能够保证轨迹的精准性，但对环境的变化相对敏感。
而在线规划则是机器人根据当下的环境信息实时地计算出合适的轨迹。
这种规划方式适用于未知环境或需要适应环境变化的情况，例如自主导航机器人。
在线规划的优点是能够灵活应对环境的变化，但对实时性要求较高。
第二部分：机器人运动轨迹规划的挑战机器人运动轨迹规划面临着一些挑战，其中包括路径规划、避障和动力学约束等问题。
路径规划是机器人运动轨迹规划的基本问题之一。
它涉及到如何选择机器人在工作空间中的最佳路径，以达到任务要求并减少能耗。
路径规划算法可以基于图搜索、最短路径算法或优化算法进行设计。
避障是机器人运动轨迹规划中必须考虑的问题。
机器人需要能够感知并避免与障碍物的碰撞，以确保安全执行任务。
避障算法可以基于传感器信息和障碍物模型来确定机器人的安全路径。
动力学约束是指机器人在运动过程中需要满足的物理约束条件。
例如，机械臂在操作时需要避免碰撞或超过其运动范围。
动力学约束的考虑需要在规划过程中对机器人的动力学特性进行建模，并在轨迹规划中进行优化。
第三部分：机器人运动轨迹规划的应用机器人运动轨迹规划在许多领域中都具有广泛的应用。
在工业领域，机器人可以根据离线规划的路径自动执行复杂的生产任务，提高生产效率和质量。
工业机器人编程和调试教程
工业机器人编程和调试教程工业机器人的出现和广泛应用大大提高了生产力和生产效率。
为了使工业机器人能够正常工作，工程师们需要进行编程和调试。
本文将向您介绍工业机器人编程和调试的基本步骤和技巧，帮助您顺利完成任务。
一、准备工作在开始工业机器人编程和调试之前，我们需要准备一些必要的工具和资料。
首先，您需要了解所使用的机器人品牌和型号，并下载和安装相应的机器人编程软件。
其次，确保您具备一定的机器人基础知识，包括机器人组成部分、机器人运动轨迹等。
最后，准备好机器人的用户手册、技术规格和相关文档，以便查询和参考。
二、编程环境搭建在进行工业机器人编程之前，我们需要为机器人搭建一个适合的编程环境。
首先，确保机器人连接到电源并开启，然后连接机器人与计算机的通信线缆。
接下来，配置机器人编程软件，设置机器人的IP地址和端口号，确保计算机能够与机器人进行通信。
最后，根据机器人的运动轨迹和任务需求，设置工作区域和安全区域，确保机器人的运动范围和安全性。
三、编程和调试步骤1. 程序编写在进行工业机器人编程之前，我们需要先制定一个程序。
根据机器人的任务需求，确定机器人的运动轨迹、路径规划和执行顺序。
使用机器人编程软件，编写程序并进行调试。
程序的编写包括定义变量、设置运动方向和速度、配置传感器和执行器等。
2. 轨迹规划轨迹规划是指确定机器人的运动轨迹和路径。
根据机器人的工作空间和任务需求，选择合适的运动轨迹规划算法。
常用的轨迹规划算法包括线性插值、圆弧插值和样条插值等。
通过调整机器人的关节角度和位置，使其按照预设的轨迹规划进行运动。
3. 运动控制运动控制是实现机器人运动的关键步骤。
通过控制机器人的关节角度和速度，实现机器人的准确运动。
编程软件提供了不同的运动控制功能，如位置控制、速度控制和力控制等。
根据机器人的任务需求和工作空间，选择合适的运动控制方法。
4. 程序调试编程和调试是工业机器人开发过程中的重要环节。
在进行程序调试之前，我们需要先对程序进行模拟和验证。
工业机器人操作与编程机器人运动指令
在检测到碰撞风险时，机器人应自动调整运动轨迹或停止运动，以避免碰撞。
05 编程实践与案例分析
编程实践：简单轨迹编程
直线运动指令
使机器人沿直线移动到指定位置。
插补指令
使机器人通过一系列直线和圆弧路径移动到 指定位置。
圆弧运动指令
使机器人沿圆弧路径移动到指定位置。
速度与加速度控制
通过编程控制机器人的移动速度和加速度， 确保安全和精确的运动。
运动指令示例
线性运动指令示例
使机器人末端执行器沿直线移动到 指定位置，如“MoveL”（线性移 动至目标点）。
关节运动指令示例
使机器人关节以指定的角度和速度 进行转动，如“MoveJ”（关节移 动至目标点）。
04 机器人运动控制
运动轨迹规划
直线运动
使机器人沿直线移动，可 以通过设定起始点和终点 坐标实现。
5G通信技术
5G通信技术的应用将为工业机器人提供更快速、稳定的数据传输， 实现远程控制和实时反馈，提高生产效率。
柔性制造技术
柔性制造技术将进一步集成工业机器人，实现个性化生产和小批量 生产，满足市场多样化需求。
安全与伦理问题
安全防护措施
随着工业机器人的广泛应用，安全问题越来越受到关注。未来需要加强安全防护 措施，确保工业机器人的操作安全和周边人员安全。
定制化与个性化
未来工业机器人将更加注重定制化和个性化，满 足不同行业和企业的特殊需求，提高生产效率和 产品质量。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
案例分析：装配线应用
任务描述
工业机器人需要将零件装配到指定位置。
解决方案
使用机器人运动指令，如直线运动和插补指令， 使机器人精确地移动到零件位置并进行装配。
工业机器人轨迹规划与编程说课讲解
【例7-2】同例7.1，且已知起始加速度和终止减速度均为 50/s2。
解：
( t) 3 0 2 .5 t2 1 .6 t3 0 .5 8 t4 0 .0 4 6 4 t5
图 关节的位置、速度和加速度曲线
标准的S形速度曲线
变形的S形速度曲线
两端5次中间直线如何？
S型线条之美
S型线条之美
多个关节的运动轨迹
每个关节在相应路径段运行的时间相同，这样就保证了 所有关节都将同时到达路径点和目标点，从而也保证了工 具坐标系在各路径点具有预期的位姿。
拟合成光滑函数的方法？
三次多项式插值 过路径点的三次多项式插值 五次多项式插值 用抛物线过渡的线性插值 。。。。等
拟合成光 滑函数的 方法
y
x
z
y
x
z
建立工具坐标系的主要目的把控制点转移到工具的尖端点上。 工具坐标系的方向随腕部的移动而发生变化。
不仅要规定机器人的起始点和终止点，而且要给出介于起 始点和终止点之间的中间点，也称路径点。运动轨迹除了位 姿约束外，还存在着各路径点之间的时间分配问题。例如， 在规定路径的同时，必须给出两个路径点之间的运动时间。
•
•
(0) 0
•
•
(t f ) f
求解可得
a0 0
•
a1 0
a2
3
t
2 f
(
f
0)
2 tf
•
0
1 tf
•
f
a3
2
t
3 f
(
f
0)
1
t
2 f
•
•
(0 f
)
7.2.3 五次多项式插值
除了指定运动段的起点和终点的位置和速度外，也可以指 定该运动段的起点和终点加速度。这样，约束条件的数量 就增加到了6个，相应地可采用下面的五次多项式来规划轨 迹运动。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
这些关节函数分别描述了机器人各关节从起始点开 始，依次通过路径点，最后到达某目标点的运动轨迹。 由于每个关节在相应路径段运行的时间相同，这样就 保证了所有关节都将同时到达路径点和目标点，从而
也保证了工具坐标系在工各业路机径器点人具及有应预用期－机的电位工姿程；学院
关节空间的轨迹规划
关节空间中进行轨迹规划，不需考虑直角坐标空间 中两个路径点之间的轨迹形状，仅以关节角度的函数 来描述机器人的轨迹，计算简单、省时； 关节空间与直角坐标空间并不是连续的对应关系， 关节空间内不会发生机构的奇异现象，从而避免了在 直角坐标空间规划时所出现的关节速度失控问题；
在关节空间进行轨迹规划，规划路径不是唯一的。 只要满足路径点上的约束条件，可以选取不同类型的 关节角度函数，生成不同的轨迹。
求解上述方程组，可得
关节空间的轨迹规划
工业机器人及应用－机电工程学院
三次多项式插值
关节空间的轨迹规划
所以，对于初速及终速为零的关节运动，满足连续平 稳运动要求的三次多项式插值函数为
其关节角速度和角加速度表达式为
工业机器人及应用－机电工程学院
三次多项式插值
三次多项式插值的运动轨迹曲线
关节空间的轨迹规划
工业机器人及应用－机电工程学院
2.过路径点的三次多项式插值
至少需要满足四个约束条件：两端点位置约束和两端 点速度约束。
工业机器人及应用－机电工程学院
三次多项式插值
关节空间的轨迹规划
端点位置约束是指起始位姿和终止位姿分别所对应 的关节角度；
（0） 0 （t f ) f
为满足关节运动速度的连续性要求，在起始点和终 止点的关节速度可简单地设定为零，即；
（0） 0 （t f ) 0
工业机器人及应用－机电工程学院
三次多项式插值
关节空间的轨迹规划
上述给出的四个约束条件可以唯一地确定一个三次多项
运动过程中的关节速度和加速度则为：
工业机器人及应用－机电工程学院
三次多项式插值
关节空间的轨迹规划
为了求得三次多项式的系数，代以给定的约束条件， 有方程组
工业机器人及应用－机电工程学院
三次多项式插值
程时间，提高了编程水平工。业机器人及应用－机电工程学院
一、引言 指定工业机器人执行某项操作作业 附加一些约束条件
轨迹的规划和协调
关节坐标空间
直角坐标空间
工业机器人及应用－机电工程学院
引言
轨迹规划涉及下面三个问题：
(1)要对机器人的任务进行描述，即对机器人的运动 轨迹进行描述。
(2)根据所确定的轨迹参数，如何在计算机内部描 述所要求的轨迹。这主要是选择习惯规定以及合理 的软件数据结构问题。 轨迹规划器具有简化任务描述的功能，用户不需要 写(3出)对进内行部某描指述定的作轨业迹的进运行动实轨际迹计函算数。表通达常式是，在只运要 求行输时入间有内关按路一径定的的若速干率约计束算及出其位简置单、描速述度。和至加于速规度， 划生的成细运节动问轨题迹则。由系统本身去完成.
离 工开具来坐，标形系成从了初模 始型 位化 置{的T0作}变业化描到述终方止法位。置从{T而f}使的这坐种标 描 变述换既。适用于不同的机器人，也适用于同一机器人上 装夹不同规格的工具。
变换包含了工具坐标系的位置和姿态的变化。
在轨迹规划中，也常用“点”这个词来表示机 器人的状态，或用它来表示工具坐标系的位姿。
机器人的运动应当平稳，不平稳的运动将加剧机械部 件的磨损，并导致机器人的振动和冲击。
工业机器人及应用－机电工程学院
轨迹规划的一般性问题
轨迹规划既可在关节空间中进行，也可在直角坐标空 间中进行。
在关节空间中进行轨迹规划是指将所有关节变量表示 为时间的函数，用这些关节函数及其一阶、二阶导数 描述机器人预期的运动。
轨迹规划
机器人语言
机器人离线编程
人 系间它实所编统机的以时 有机轨程。器接一计控器迹环由人口种算制人规境于离。通和的具划，不线为用生目有是从占编了的成的可指而 用程提方运都编根可 机系高式动在程据以 动统编解轨于功作脱 时是程决迹精能业离间利效了。确，任机，用率人它实因务器提计，一是现此要人高算出机工所需求工了机现通业规要，作设图了信机划用确现备形机问器的户定场利学器题人运和轨进用，人。控动机迹行率建编制。器参编。立程的人数程而机语依之并的且器言据，， 由于离线编程本身就是CAD/CAM一体化的组成部分， 有时可以直接利用CAD数据库的信息，大大减少了编
工业机器人及应用－机电工程学院
二、轨迹规划的一般性问题 工业机器人的作业可以描述成工具坐标系{T}相对
于工作坐标系{S}的一系列运动：
工业机般性问题
工具坐标系相对于工作坐标系的运动来描述作业路径. 把 机作器业人路从径初的始描 状述 态与 运具 动体 到的 终机 止器 状人 态、的手作爪业或，工看具成分是
工业机器人及应用－机电工程学院
轨迹规划的一般性问题 当需要更详细地描述运动时，不仅要规定机器人的起
始点和终止点，而且要给出介于起始点和终止点之间 的中间点，也称路径点。
运动轨迹除了位一姿阶约导束数(外速，度还)，存有在时着甚各路径点之间的 时间分配问题。例至该二连如阶续，导.在数规(加定速路度径)的也应同时，必须给出 两个路径点之间的运动时间。
工业机器人及应用－机电工程学院
1.三次多项式插值
关节空间的轨迹规划
当已知末端操作器的起始位姿和终止位姿时，由逆 向运动学，即可求出对应于两位姿的各个关节角度。 因此，末端操作器实现两位姿的运动轨迹描述，可在 关节空间中用通过起始点关节角和终止点关节角的一
个平滑轨迹函数θ(t)来表示；
为了实现关节的平稳运动，每个关节的轨迹函数θ(t)
在直角坐标空间中进行轨迹规划，是指将手爪位姿、 速度和加速度表示为时间的函数，而相应的关节位置、 速度和加速度由手爪信息导出。
工业机器人及应用－机电工程学院
三、关节空间的轨迹规划
机器人作业路径点通常由工具坐标系{T}相对于工 作坐标系{S)的位姿来表示，因此，在关节空间中进 行轨迹规划：
首先需要将每个作业路径点向关节空间变换，即用 逆运动学方法把路径点转换成关节角度值，或称关节 路径点；