国内外焊接机器人轨迹规划研究现状

机器人轨迹规划在机器人整体设计规划中属于底层规划，是在机器人运动学和动力学分析的基础上，讨论在关节空间和笛卡尔空间中机器人运动的轨迹和轨迹生成方法。这里我们所说的轨迹与我们平时理解的轨迹有所不同，其是指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度。轨迹规划的目的是根据任务需求，计算出预期满足要求的运动轨迹，包括对机器人的任务、运动路径和轨迹进行描述，从而实时计算出机器人运动的位移、速度和加速度，生成运动轨迹。为了提高机器人的生产效率和加工精度，对机器人运动轨迹规划技术的研究也在不断地发展中。

从焊接机器人轨迹规划的空间来说，其轨迹规划分为在关节空间进行轨迹规划和在笛卡儿空间进行轨迹规划这两大类。

关节空间的轨迹规划是以关节角度与时间的函数来描述机器人运动的轨迹的，也就是说机器人末端执行器的运动轨迹是由关节变量直接确定的，所以在关节空间中进行轨迹规划时，计算简单容易。在关节空间进行轨迹规划时，随着关节角度与时间变量函数选取不同的类型，其末端路径不是唯一的，主要有三次多项式函数插值法、高阶多项式函数插值法、和用抛物线过渡的线性函数插值法等。

对于有些路径、姿态两者的瞬时变化规律要求严格控制的焊接任务，如连续弧焊作业，就必须在笛卡尔空间(直角坐标空间)进行轨迹规划，路径规划好之后，用有限多个过渡点对路径进行分割，再通过逆运动学求解逐点地返回到关节角度，生成需要控制的关节量，再通过关节变量来控制机器人的运动。对于焊接机器人来说，直角空间的轨迹规划方法概念直观，规划的焊接路径准确，但在直角空间规划焊接路径时需要通过逆运动学求解时时将焊接机器人的笛卡尔坐标转换为每个关节的角度值，计算量比较大，如果运算速度不够快时会使控制间隔拖长。

国外，早在1997年，Bazaz等人就指出在考虑速度和加速度约束的前提下，三次样条曲线是进行最优时间轨迹规划中，连接关节空间中各个关键点的最简单的多项式曲线形式，并据此提出了相应的轨迹规划算法。但此算法在轨迹规划中也存在一个问题，在使用三次样条曲线的过程中，关键点的连接处没有考虑加速度曲线的连续性，这可能会引起机器人移动过程中的振动.  1999年德国人Christian等对6自由度工业机器人的点到点和多目标空间轨迹规划提出了最优轨迹规划方法，在保证焊接质量的前提下进一步提高了焊接机器人的焊接效率;Pachidis等提出了基于视觉的弧焊机器人系统的整体路径生成办法，这种方法主要适用于很难确定具体焊接路径的交通工具的焊接生产中，如造船厂破损轮船的修复Francisco Rubio等人分析了在复杂环境下力矩、功率、冲击和能耗等因素对无碰撞时间最优轨迹规划的影响，得出这些因素跟轨迹规划的关系，在实际操作时可根据重点考虑的因素来进行相关参数的选择，为时间最优轨迹规划时合理参数的选择提供可靠的理论依据

国内，徐雄等为了提高轨迹规划的精度，通过增加轨迹曲线上的节点数，并且用余弦函数和多项式相组合的方法进行时间最优的轨迹规划，但该方法导致关节轨迹分段数较多，相应的计算量过大，从而导致实时控制无法实现;杨锦涛用s形速度曲线代替梯形速度曲线，对B样条曲线进行插补，得到笛卡尔空间的位置、速度、加速度参数，通过逆运动学求解获得机器人关节空间角位移、速度和加速度曲线，仿真结果表明各关节加速度连续，机器人冲击有了明显改善。刘晓麟等提出在笛卡尔空间轨迹规划中，采用双5次多项式融合算法，实现曲线过渡过程中的几何形状约束，最大加速度和速度约束，达到了不同段曲线之间的平稳过渡的效果。张书涛等提出了一种基于Tau理论的仿生学的轨迹规划算法，在运用Tau理论进行轨迹规划的过程中，即保证了在确定的时间，机械手末端位置和姿态同时到达目标，又保证关节速度曲线、加速度曲线、驱动力曲线和驱动力矩曲线光滑连续。宁学涛等运用软件Python深入的分析了机器人的运动轨迹，并运用五次多项式进行轨迹规划，在轨迹规划过程中考虑了动力学因素的影响，其轨迹规划结果显示，关节角位移、速度、加速度、加加速度曲线连续可导，因此说明机器人运动平稳无振动，提高了机器人的加工质量和机器人寿命。中国工程物理研究院的曾翠华等阐述了焊接机器人离线编程技术的弗莱纳一雪列空间矢量原理和轨迹规划算法，通过离线编程轨迹规划，在球罐和圆柱的空间曲线焊缝离线编程中表现优异; 2015年天津大学的胡绳荪等设计出了相贯线轨迹等距线的B样条逼近算法，用来解决在J形坡口焊接中，理论轨迹与实际轨迹偏差较大的问题，表现出了很好的焊接效果;于佳琳等提出了一种新改进Bezier曲线，采用此算法拟合直线更好的解决了不同曲线之间的圆滑过渡问题，实现了机器人在多段轨迹平稳、连续、快速的运动

以上研究表明，国内外对焊接机器人空间轨迹规划的研究，越来越多样化、并不断深入，越来越有针对性，轨迹规划中显示出专业化趋势。现有的各种轨迹规划方法，虽然能够满足各种问题的不同需求，但是也存在着一定的不足之处。如何充分发挥它们的优点，尽量减少它们不利的影响，设计出符合PR1400焊接机器人轨迹规划要求的轨迹曲线，是本文研究的重点和核心。