3C机器人轨迹规划算法研究与仿真

作者:张建政;董易 刊名:现代制造技术与装备 上传者:刘先梅

【摘要】随着国内人力成本的提高,传统的劳动密集型产业如3C 产业,对自动化升级产生了巨大需求.本 文针对3C 机器人的应用要求,对轨迹规划方法展开了研究.为了提高机器人效率,本文建立机器人在笛卡尔空 间及关节空间的轨迹规划及圆滑方法.为了验证轨迹规划方法的有效性,采取 Madab - SolidWorks搭建联合仿真 环境,并对算法进行验证.结果表明,这套算法可以较好地使用在3C 产品生产中.

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3C是电脑(Computer)、通讯(Communication)和消费性电子(ConsumerElectronic)的合称。我国是3C产品的生产大国,自主品牌和代工产品的产量占世界总产量的70%,并且以非常迅猛的速度发展。但是,我国国内厂商自动化水平较低,依旧依靠大量的劳动力进行人工操作。随着我国人口红利的逐渐消失,3C厂商面临人力资源短缺和成本上升的难题,对以工业机器人为代表的自动化设备产生了迫切需求。工业机器人的广泛应用有助于生产企业降低人力成本,提高生产效率和产品质量,更快地应对市场的变化[1-2]。3C产品产量巨大且更新速度快,零部件小且精密,生产环境复杂。因此,在生产中对于机器人的速度、精度和灵活度有更高的要求。这不仅需要机器人硬件提供保证,同时需要有一套合适的轨迹规划策略和算法。很多文献已经对机器人轨迹规划方法展开了深入的理论研究[3-5],但较少针对产品及工艺进行开发。本文根据这些性能需求,对产品的轨迹规划的策略和关键算法展开研究,建立了一套算法,并利用Matlab-Solidworks联合仿真验证其有效性。13C机器人面向3C行业的制造工艺要求,上海福赛特机器人公司自主设计开发了一款桌面型工业机器人。该机器人主要采用轻量化和一体化的设计思路,产品结构紧凑、外形美观,满足高速、高精度运动的硬件条件。该款机器人采用典型的6转动关节串联形式构型,具有结构紧凑、占地空间小、动作灵活、工作空间大和末端速度高等优点,在自动化生产中通用化程度高。机器人的底座、转座、大臂、肘部、小臂、腕部和末端法兰等部分通过转动关节连接,通过伺服电机及谐波减速机进行驱动,3D模型如图1所示。末端法兰根据国家标准[6]制孔,便于安装多种工具,以满足不同的工艺需求。2轨迹规划策略和算法实现由于3C产品的大多数零件小且精密,加工过程中要求工业机器人动作灵活,轨迹准确且平滑,无冲击无抖动。为了实现这一要求,本文重点讨论轨迹规划的架构及其中的几个关键问题。2.1轨迹规划算法结构本文针对3C产品生产中的工艺应用情境,开发出了一套轨迹规划算法。该算法包含直线指令(MoveL)、圆弧指令(Circle)、关节空间运动指令(MoveJ)。为了提高机器人运动节拍,两条指令之间通过轨迹圆滑提高运动的节拍,轨迹规划的算法结构如图2所示。图1桌面型工业机器人3D模型图2轨迹算法程序结构三种不同的指令之间共有9种圆滑组合。由于每种指令所需要的初始条件不同和指令之间的过渡方式不同,本文将其分为三类。(1)直线指令之间的过渡。直线之间选择采用圆弧进行过渡。圆弧半径可根据过渡速度进行计算,轨迹类型简单可控。(2)关节空间与直线、圆弧之间的过渡。由于关节空间规划不要求在笛卡尔空间的具体位置,本身即可视为一种过渡轨迹。和其他两种类型的轨迹衔接时,直线/圆弧轨迹不再单独划出过渡过程,而是按照自身命令计算出初始或结尾处关节的位置和速度,以作为关节的目标或初始值。(3)直线与圆弧之间的过渡、圆弧指令间的过渡。两条空间直线和圆弧,一般情况下并不共面,难以找到一个简单曲线实现过渡,本文中采用关节空间过渡方法用来实现两条笛卡尔空间轨迹的圆滑,圆滑效果好且实现方便。2.2四元数姿态平滑算法在描述机器人位姿时,姿态的圆滑和角速度连续性是轨迹规划中的难点。本文也重点关注如何解决此问题。两个四元数姿态之间可以采用球面线性插值方法(Slerp)进行插值,以实现最短。()01sin1sin(,,)sinuuquSlerpqqu?-?+??==(1)其中,中间控制变量u[0,1],为两姿态间夹角。而当姿态的节点多于2个时,

参考文献

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