機(jī)器人軌跡時(shí)間同步方法有哪些

一般而言，多軸機(jī)器人的任務(wù)一般是通過(guò)控制末端工具的位置和姿態(tài)來(lái)完成，會(huì)涉及位置和姿態(tài)兩個(gè)量 ， 所以在軌跡規(guī)劃時(shí)需要考慮二者的時(shí)間同步

即在同一規(guī)劃時(shí)間內(nèi)機(jī)器人末端要滿 足軌跡的位置 和姿態(tài)的聯(lián)動(dòng)，這就對(duì)控制算法提出了更高的要求。

由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)飽和限制或任務(wù)要求，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和加速度有一定的約束。

為了分別滿足位置和姿態(tài)的速度、加速度幅值約束，往往需要分別對(duì)位置和姿態(tài)進(jìn)行時(shí)間同步的軌跡規(guī)劃，保證機(jī)器人的位置和姿態(tài)同時(shí)到達(dá)期望值。

除了機(jī)器人位置和姿態(tài)用到時(shí)間同步外，多機(jī)器人協(xié)作，軌跡同步（如電子凸輪，主從運(yùn)動(dòng)等）也需要進(jìn)行時(shí)間同步。

機(jī)器人軌跡時(shí)間同步方法目前主要有如下四種。

（1）直接規(guī)劃法。該方法可以在約束條件下，保持給定的加速度，盡可能以最高速度運(yùn)行，勻速時(shí)間較長(zhǎng)，可以達(dá)到最高的效率。

但是對(duì)于不同的加減速度算法，時(shí)間同步規(guī)劃的方法不能共用，例如梯形加減速直接同步規(guī)劃并不復(fù)雜，計(jì)算效率較高。

但是S型等復(fù)雜加減速，要實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)行時(shí)間的同步規(guī)劃則相當(dāng)復(fù)雜。

梯形速度時(shí)間同步基本步驟是：梯形時(shí)間最優(yōu)速度規(guī)劃—》獲得最大運(yùn)行時(shí)間做同步時(shí)間—》以同步時(shí)間重新規(guī)劃時(shí)間小的曲線。

直接規(guī)劃法可以盡可能保證起步速度與末速度的不變，更適用于連續(xù)軌跡，速度前瞻控制等場(chǎng)合。

這種方法的缺點(diǎn)是如果位置 和姿 態(tài) 的 規(guī)劃位移量相差過(guò)大 ，會(huì)導(dǎo)致規(guī)劃 時(shí)間無(wú)法在規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)內(nèi)拉長(zhǎng)至相等，無(wú)法完成時(shí)間同步，這時(shí)需要對(duì)末速度和起步速度進(jìn)行修改。

如下圖，時(shí)間最優(yōu)的軌跡為紅色曲線，通過(guò)時(shí)間同步，將其運(yùn)動(dòng)時(shí)間同步到更大的指定時(shí)間，即藍(lán)色曲線。

（2）時(shí)間縮放法。該方法會(huì)降低加速度，延遲加速度和減速時(shí)間，勻速運(yùn)行時(shí)間較短。

該方法不管何種減速，對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行縮放，都可以使用統(tǒng)一的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，時(shí)間縮放法可以用于機(jī)器人位姿時(shí)間同步，也可以用于對(duì)原始軌跡進(jìn)行修改。

例如，在軌跡規(guī)劃階段未考慮系統(tǒng)的于東學(xué)飽和及動(dòng)力學(xué)飽和限制，可能導(dǎo)致速度，加速度或力超過(guò)允許的范圍，那么可以使用時(shí)間縮放法增加軌跡的時(shí)間。

時(shí)間縮放法的缺點(diǎn)是只適合單段路徑的規(guī)劃，在連續(xù)路徑中，銜接速度不為零且相鄰段的時(shí)間縮放因子不相同時(shí)，速度會(huì)發(fā)生跳變。

（3）廣義速度法。廣義速度法就是把所有需要規(guī)劃的位移量合成一個(gè)位移量進(jìn)行規(guī)劃。

例如文獻(xiàn)［3］，對(duì)于位置和姿態(tài)的規(guī)劃，將移動(dòng)軸x，y，z和姿態(tài)軸α，β， γ合成一個(gè)位移量進(jìn)行加減速規(guī)劃，將求得的廣義速度進(jìn)行分解。

這種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)了位姿同步，但是同步方法沒(méi)有明確的物理意義，且同步容易造成某些軸的加速度和加加速度超限。

（4）雙樣條法。目前有關(guān)雙 NURBS 的研究文獻(xiàn)中，大多采用相同的節(jié)點(diǎn)矢量進(jìn)行路徑擬合，而采用相同的曲線參數(shù)和完成雙 NURBS 插補(bǔ)。