基于时间最优的工业机器人关节空间轨迹规划

以六自由度工业机器人为研究对象，为解决运行轨迹不平滑而导致机械冲击，提高机器人的运行效率和平衡性，提出一种基于二次抛物线加速度连续的关节空间时间最优轨迹规划算法。首先，基于匀加速-匀减速运行方式，根据电机最大速度和最大加速度参数，推导出运行位移、速度和加速度以及最小运行时间的计算公式；其次，基于梯形运行方式，引入速度同步系数和加速度同步系数两个参数，用来解决各关节运行同步的问题；然后，基于二次抛物线运行方式，推算出位移、速度和加速度关于时间的表达式，并给出算法设计流程图；最后，使用MALAB进行算法仿真验证。结果表明，该算法保证了加速度、速度和位移的连续，实现各关节同步运行和时间最优，确保机器人平滑高效地运行。     

基于遗传算法的6-DOF机器人最优时间轨迹规划

针对机器人在特定工作坏境下工作效率低的情况,提出一种以时间为最优的轨迹规划方法。采用七次B样条曲线完成机器人各关节位置-时间序列的插值,并将运动学约束转化为B样条曲线控制顶点的约束,以机器人关节轨迹运行时间最优为优化指标,采用遗传算法对轨迹曲线执行时间最短寻优,规划出满足运动学约束及力矩平滑的时间最优轨迹。实验结果表明,该规划算法能够明显减小加加速度的累积效应,提高机器人执行轨迹的最优时间。     

基于平滑反射运动的工业机器人多变量时间最优轨迹规划研究

针对如何提升高精度装配工业机器人工作效率的问题,设计了一种基于平滑反射运动的工业机器人多变量时间最优轨迹规划方法,该方法可有效适用于健康和退化状态。研究了工业关节型机器人的运动链,并根据精确装配任务的要求和机械人各关节的性能,采用了新颖的多变量优化方法,将任意特定路径的执行时间缩到最短;采用异步方式调整了加速时间,实现了执行效率的优化;在光电子行业的模块化6自由度(DoF)机器人上进行了具体测试。实验结果表明:相比于其他最优执行运动规划方法,该方法将机器人执行轨迹的速度提高39%,即使在退化关节模式下仍具有较好的优化性能。     

机械手时间最优脉动连续轨迹规划算法

为使机械手的作业效率达到最优,同时确保运动的平稳性,提出一种新的最优轨迹规划方法。通过逆运动学运算得到与任务空间轨迹对应的关节空间位置序列,采用7次B样条曲线插值方法构造启动和停止运动参数可控,且速度、加速度和脉动均连续的关节轨迹。将机械手运动学约束转化为B样条曲线的控制顶点约束,采用序列二次规划方法求解最优运动时间节点,进而规划出满足非线性运动学约束的时间最优脉动连续轨迹。仿真和试验结果表明,提出的轨迹规划方法为关节控制器提供理想的轨迹,使机械手在最短的时间平稳地跟踪任务空间的任意指定轨迹。     

基于DENSO机器人的地插打磨时间最优轨迹规划

高档装饰用地插多采用铜或不锈钢材质,其外观要求光亮圆滑。为实现DENSO机器人在执行打磨作业过程中运动高效、平滑且连续,对比分析了匀加速匀减速、三次多项式、五次多项式三种插值方法,对机器人手臂末端轨迹进行任务空间轨迹规划。通过对DENSO机器人逆运动学求解,将任务空间轨迹转换到关节空间。运用MATLAB建模仿真得到机器人各关节的角位移、角速度及角加速度曲线图,结果表明用五次多项式插值法规划后的各关节角位移、角速度及角加速度曲线更加平滑且无突变,机器人运动性能优于另外两种方法。根据角加速度曲线波动范围及最大允许角加速度的限制,对各段轨迹运动时间进行了重新分配,得出在满足DENSO机器人运动平稳和物理约束的条件下所需的最短时间。最后通过整机实验与对比,实现了DENSO机器人对地插打磨作业的时间最优轨迹规划,为进一步提高机器人工作效率奠定了理论基础。     

一种变胞式工业机器人时间最优轨迹规划

根据变胞式工业机器人工作原理,建立了其工作轨迹模型,并基于该模型提出了一种变胞式工业机器人时间最优的轨迹规划方法。该方法着重考虑机器人构态变换过程,将轨迹规划问题转化为内外层嵌套的优化问题进行分析。分别给出该优化问题的设计变量、目标函数以及约束条件,得到了变胞式工业机器人时间最优轨迹规划问题的数学模型。运用所提出的方法对本课题组自研制的变胞式码垛机器人进行轨迹规划研究,根据其工作轨迹模型,建立了优化设计问题数学模型,在给出关节角度插值函数系数的确定方法后,采用嵌套粒子群算法对该优化问题进行求解,得到了优化后的关节角度函数以及理论工作轨迹,与实验所得的实际工作轨迹进行对比,验证了所提方法的可行性。该研究工作为变胞式机器人的运动规划研究提供了参考。     

三次样条插值在机器人轨迹规划应用中的改进研究

讨论了三次样条插值在机器人轨迹规划中的应用,对三次样条插值进行改进,克服了机器人启动和终止加速度突变问题,消除了机器人启动和终止时的振动,保证了机器人整个作业过程的稳定性.实验证实了此改进算法的可行性.     

破拆机器人拆除窑衬的时间最优轨迹规划

为提高破拆机器人拆除窑衬的工作效率,用4-3-4分段多项式进行轨迹规划,建立时间最短的优化目标,在运动学约束条件下,采用改进鲸鱼优化算法优化各关节的运动时间。混沌映射初始化种群和非线性收敛因子相结合的鲸鱼优化算法寻优能力较强,可以降低算法陷入局部最优的概率。仿真结果表明：各关节的角速度和角加速度曲线连续无突变,且满足运动学约束条件,能较好地发挥破拆机器人的运动学性能。本研究对破拆机器人拆除窑衬实现时间最优轨迹规划具有一定参考意义。     

基于Jerk最优的机器人轨迹规划

针对机器人任务路径轨迹的复杂性和稳定性要求,提出了一种基于Jerk最优的笛卡尔空间轨迹规划方法,得到一条光滑和平稳的机器人动作轨迹。机器人轨迹被约束通过笛卡尔空间中一系列路径点,采用Jerk连续可导的余弦函数曲线来插补路径点之间的机器人轨迹,通过求解逆运动学计算出期望的机器人关节角度。最后,以NAO机器人为平台对轨迹规划方法进行了仿真与实验验证。实验结果显示,规划得到的机器人路径轨迹光滑平稳没有突变,顺利地完成实验任务动作。     

工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划

提出一种工业机器人的最优轨迹规划方法。将机器人的轨迹视为由机器人关节空间中一系列的关键点构成,关键点两两之间通过三次多项式曲线进行连接。通过使用加权系数法定义代价函数,从而使机器人运动过程中的总动作时间和消耗能量在某种程度上达到综合最优,同时考虑关节速度、加速度、二次加速度以及力或力矩等约束条件。在代价函数的设计中,采用一种新颖的罚函数排序形式来处理约束问题。提出基因环境双演化免疫克隆算法对所定义的代价函数进行优化。以上策略的采用,使算法具备一定的学习能力,增强算法的全局搜索能力,从而提高解的质量和算法效率。对斯坦福机器人的仿真结果表明了本文方法与现有方法相比,具有更高的搜索效率,能得到性能更良好的解。     

Evolutionary collision-free optimal trajectory planning for intelligent robots

This paper presents optimization procedures based on evolutionary algorithms such as the elitist non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) and differential evolution (DE) for solving the trajectory planning problem of intelligent robot manipulators with the prevalence of fixed, moving, and oscillating obstacles. The aim is the minimization of a combined objective function, with the constraints being actuator constraints, joint limits, and the obstacle avoidance constraint by considering dynamic equations of motion. Trajectories are defined by B-spline functions. This is a non-linear constrained optimization problem with six objective functions, 31 constraints, and 42 variables. The combined objective function is a weighted balance of transfer time, the mean average of actuator efforts and power, penalty for collision-free motion, singularity avoidance, joint jerks, and joint accelerations. The obstacles are present in the workspace of the robot. The distance between potentially colliding parts is expressed as obstacle avoidance. Further, the motion is represented using translational and rotational matrices. The proposed optimization techniques are explained by applying them to an industrial robot (PUMA 560 robot). Also, the results obtained from NSGA-II and DE are compared and analyzed. This is the first research work which considers all the decision criteria for the trajectory planning of industrial robots with obstacle avoidance. A comprehensive user-friendly general-purpose software package has been developed using VC++ to obtain the optimal solutions using the proposed DE algorithm.     

工业机器人抓取作业轨迹规划研究

针对8号电雷管的包装生产方式,设计了一种雷管抓取机构,根据工业机器人抓取雷管装盒及抓取雷管盒装箱的运动路径,对机器人进行关节空间轨迹规划。采用5次B样条曲线轨迹规划法,能够实现机器人运动角加加速度的连续性,减少运动产生的冲击及颤振,保证雷管安全、可靠的抓取。最后仿真分析结果证明了该轨迹规划方法的有效性与合理性。     

基于多约束条件下的机器人尺寸综合优化

为实现机器人在多约束条件下的尺寸优化,提出一种基于多约束条件下的机器人尺寸优化方法.首先建立6足机器人的简化数学模型,并给出该机器人需要综合优化的设计尺寸;然后分析了该机器人存在的多种约束条件,并进行约束条件的综合.通过对该机器人的运动学求解和力雅克比矩阵的推导,得到机器人的关节转矩表达式;以关节转矩为目标函数,多约束...     

Optimal trajectory planning with application to industrial robots

A procedure is presented for planning optimal trajectories for application to industrial robots. First, trajectories are optimised by considering the nominal dynamics of a robot with rigid links and joints and with constraints on joint torque and speed. The minimum-time optimisation criterion is complemented by a miminal dynamic energy criterion that leads to smoother actuator inputs that do not excite joint vibrations. Weighting factors for these cost functions are then determined by trial simulations. By these means the effect of controller characteristics and elasticity, friction and backlash in the joints may be taken into account. A minimum-time movement for the real-world robot is obtained which displays the dynamical behaviour predicted in the planning procedure. Results from measurements and simulations for a PUMA 562 robot illustrate the approach. Further improvements may be achieved by a custom controller with the feedforward torques as shown in a comparison of trajectories executed with a VAL2 controller and a custom controller.     

基于时间-平滑性多目标的机械臂轨迹规划

针对机械臂工作效率及工作中产生振动、磨损的问题,利用5次非均匀B样条曲线(NURBS),在关节空间中建立曲线端点的一阶导数与二阶导数均可指定的时间-位置曲线,通过引入NSGA-II(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II)优化算法以运行效率最优与振动冲击最小为优化目标对机械臂运行轨迹进行优化,得到Pareto最优解。对6R机械臂的仿真结果表明,由5次非均匀B样条曲线构造的轨迹提高了运行效率并减小了机械臂在运动过程中产生的振动与冲击,使得机械臂获得更优的工作性能。     

A software system for optimum design and trajectory planning of robots

This paper describes an interactive graphic robot-simulation system that has been developed to carry out optimum design and to provide a robot-independent off-line motion-planning tool. The system includes model building, optimum design, trajectory planning and graphic display, and is capable of detecting collisions. Emphasis is given to graphics facilities (translation, scaling, removal of hidden lines, image animation, etc.). The system is highly interactive through a menu technique. It was written in Turbo Pascal and implemented on an IBM PC microcomputer.     

Automated tool trajectory planning of industrial robots for painting composite surfaces

Automatic trajectory generation for spray painting is highly desirable for today’s automotive manufacturing. Generating paint gun trajectories for free-form surfaces to satisfy paint thickness requirements is still highly challenging due to the complex geometry of free-form surfaces. In this paper, a CAD-guided paint gun trajectory generation system for free-form surfaces has been developed. The system utilizes the CAD information of a free-form surface and a paint gun model to automatically generate a paint gun trajectory to satisfy the paint thickness requirements. Complex surfaces are divided into patches to satisfy the constraints. A trajectory integration algorithm is developed to integrate the trajectories of the patches. The paint thickness deviation from the required paint thickness is optimized by modifying the paint gun velocity. A paint thickness verification method is also developed to verify the generated trajectories. The results of simulations have shown that the trajectory generation system achieves satisfactory performance. This trajectory generation system can also be applied to generate trajectories for many other CAD-guided robot trajectory planning applications in surface manufacturing.     

基于人工生命算法的并联机器人最优轨迹规划

基于机器人直纹面概念和人工生命算法,提出一种并联机器人位姿轨迹最优规划方法.应用计算几何中的三维直纹面生成原理,对机器人末端执行器的位置和姿态进行统一描述.考虑到机器人姿态直纹面面积及其变化率能够反映和评价机器人的运动学和动力学性能,通过求解等效角位移矢量在空间的运动轨迹形成的三维直纹曲面面积及其变化率,并将其作为泛函的泛函极值,同时考虑运动时机器人的灵活度,建立机器人位置和姿态轨迹优化的数学模型.采用人工生命优化算法对代表并联机器人位姿轨迹的高阶参数化空间曲线的参数进行优选,通过优化轨迹直纹曲面面积及其变化率和机器人的灵巧度,使并联机器人具有良好的运动学和动力学性能.最后以一三自由度球面并联机器人轨迹规划实例,验证所提出方法的可行性.     

冗余度机器人无奇异最小力矩的关节轨迹规划

本文首先给出了加速度水平上的克服奇异性算法;然后根据切换策略将其与最小力矩法结合在一起,提出了冗余度机器人无奇异最小力矩的关节轨迹规划算法;最后,针对平面三自由度机器人进行了仿真计算。     

喷涂机器人喷枪轨迹规划的优化算法研究

在建立了喷枪位姿模型和自由曲面上的涂层厚度数学模型后,提出了喷涂机器人喷枪轨迹规划的优化算法,并利用极大极小法进行求解.计算机仿真结果论证了本算法和数学模型的有效性,为离线编程系统的建立奠定了基础.