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码垛机器人能耗最优轨迹规划方法研究现状

时间：2017-12-06 来源：机器人在线阅读：7931

码垛机器人能耗最优轨迹规划方法研究现状

机器人轨迹规划是在机器人运动学和动力学的基础上，讨论机器人运动的规划及其方法。轨迹规划问题通常是将轨迹规划器看成黑箱，接受表示路径约束的输入变量，输出起点与终点之间按时间排列的机器人中间形态(位移、速度和加速度)序列

轨迹规划既可在关节空间中进行，也可在笛卡尔空间中进行。在笛卡尔空间中进行轨迹规划具有直观、准确的优点，但是笛卡尔空间轨迹规划需要在笛卡尔坐标与关节坐标之间进行实时变换，对应关系可能不唯一且计算量较大，控制间隔较长。关节空间进行轨迹规划时，可以直接用于对机器人的控制，便于添加动力学约束，且易于避免机构运动奇异点及冗余自由度的问题。所以，考虑在关节空间中对机器人进行轨迹规划，以便于后续控制的直接使用。

在轨迹规划过程中，必须保证关节变量及其前两阶导数的连续性，使得规划的关节轨迹是光滑的。如果规划轨迹不充分光滑，会给机器人运动过程带来不必要的振动和冲击，特别是在高速重载码垛机器人上，机器人驱动部件的磨损和消耗会大大增加。针对这一问题，学者常使用高次多项式插值的方法对轨迹进行规划，其中，Borya分别使用3, 5, 7次多项式对关节空间加速度进行规划，根据运动路径上各点的约束条件，求取整个时间间隔上的连续轨迹，并对三种方式进行了效果上的对比。此外，一些学者也尝试使用样条曲线对轨迹进行规划。样条曲线是指在插值点具有k-1阶导数连续性的k次多项式。刘松国以B样条曲线为基础，将运动学约束转化为样条曲线插值点出的约束，规划了轨迹C3连续且初始点及终点角加速度可任意设置的B样条轨迹。为了抑制机器人的振动问题，学者也陆续出了S速度曲线规划、正弦S曲线、正弦S曲线等轨迹规划方法。此外，为提高机器人的快速启停能力，Lin通过改变加加速度得到了非对称S轨迹(AS轨迹)，使得轨迹具有高加速度启动以及低加速度停止定位的特点，保证了机器人的高速启停

上述的种种轨迹规划方法主要考虑的均为轨迹的平滑性、运动学与动力学的约束、振动的抑制等问题，并未考虑轨迹的能量、时间等最优性。针对时间最优的问题，Constantinescu在考虑动力学模型以及电机输出力矩约束的基础上，增加了对于加加速度的约束，以运行时间作为优化目标，采用容差法得到了最优问题的数值解。针对能量最优的问题，M artin基于B样条曲线，将能量最优的问题转化为对确定B样条曲线所需的某几个参数的优化问题，求得了使得运行过程能耗最优的轨迹。也有相关学者对能耗、时间同时进行了考虑，Saramago在能耗与时间之间设定权重，构成同时包含时间与能耗的优化指标，求取了最优轨迹的数值解。但是，求解结果过于依赖权重的选取，主观性较强。后续许多学者对优化问题的解法进行了改进，但是并未从本质上改变过于依赖权重选取的问题

此外，通常进行的轨迹规划都是在刚体假设的前提下进行的，并未考虑机器人柔性的影响。事实上，在高速重载的工况下，柔性的存在会导致机器人末端轨迹与关节轨迹之间的关系并非简单正逆运动学，而包含着动力学影响。因此需要对柔性加以考虑。

通过对比国内外学者在轨迹规划方面的研究现状可以看出，大多研究并未考虑时间及能耗的性能指标，少数解决此问题的方法也存在一些缺陷。一方面，这些方法大多是基于特定函数形式的(如B样条轨迹等)，这限制了轨迹的具体形式，其求解结果通常并不是全局最优的;另一方面，在时间和能量的考虑上，大多采用加权的方式，太过依赖于权重的选取，缺乏一定的客观性。此外，轨迹规划方法大多并未考虑关节柔性对运动的影响。

因此，在进行轨迹规划时，为保证运行的快速性，取行业内最高速度作为机器人运行的平均速度，并引入对关节柔性的考虑，在时间得到保证的情况下设计优化算法以尽量降低运行过程中的总能耗。