浅谈6R机器人轨迹规划及其在焊接中的应用

任宇航 李振辉 宋林森

摘 要：机器人的轨迹规划是在一定时间内通过对机器人初始状态、加速度、速度等进行规划，使其进入目标运行状态。本文首先对6R机器人的轨迹规划方法进行研究，包括关节空间法和直接坐标法等。进而探讨6R机器人轨迹规划方法在焊接中的应用，主要包括轨迹规划仿真模型、仿真分析和轨迹规划实例分析等。

关键词：6R机器人；轨迹规划；焊接应用

在机器人轨迹规划过程中，需要解决三个问题，一是任务描述，二是计算机语言转化，三是生成运行轨迹。比如在关节空间中进行轨迹规划，可以将关键变量表示成时间函数，并利用一阶导数和二阶导数方法描述机器人运动。此外，还可以采用直角坐标法进行机器人空间运行轨迹规划。无论采用哪种规划方法，都要保证规划轨迹的平滑和连续性，进而为实际作业应用提供保障。

一、6R机器人轨迹规划方法

（一）关节空间法

采用关节空间法进行6R机器人运行轨迹规划时，首先要将路径节点转变为关节矢量角度值，主要采用逆运动学方法，然后将各关节拟合成一光滑函数曲线，从初始点开始，一次通过所有关节，最终达到目标地点。该方法要实现每次运动路径和路径时间保持一致，需要满足同一组约束条件，包括加速度、速度、位姿和连续性等。在此前提下，可采用不同关节差值函数，比如高阶多项式插值、抛物线过渡的线性插值等。具体分为以下几种情况：（1）无中间点点位（PTP）运动，机器人由起点某位姿达到终点位姿的过程中，手部不经过任意中间位姿点而直接达到目标位姿，可采用三次多项式插值法；（2）带中间点PTP运动，在机器人运动过程中由某起始位姿经过若干个中间点后达到终点位姿，每一段都需要表示成一个三次多项式，每段时间从0开始计算，方程系数包括中间点速度、加速度、连续性以及起始点、终点的约束条件。[1]

（二）直角坐标法

对于急切人电焊和电切割加工作业而言，不仅需要对机器人的运动终点进行精准定位，还要确保运动轨迹的准确度，要求实现对机器人手臂的连续轨迹（CP）控制，完成搬运和上下料等操作。因此，需增加逼近和脱离两个位子，避免机器人在操作过程中出现多余的停顿和抖动。连续轨迹运动方式包括空间直线、空间圆弧和空间椭圆运动整。具体包括：（1）机器人在做空间直线轨迹运动时，需要采用直线插补方式进行轨迹控制。具体需要给出直角坐标系内，起点和重点位姿信息，进而极端尤其确定的直线路径上的个点位姿信息；（2）机器人的三维空间运动具体包括直线、圆弧、抛物线、双曲线、椭圆等，需要根据空间运动轨迹方程，分别设定起始点位姿、中间点位姿和重点位姿。比如空间圆弧运动需要根据空间原的方程，编写轨迹参数方程，为方便计算，需要将圆轨迹的固定坐标系进行转化，引入轨迹规划插值，反变换到基准坐标系，进而确定轨迹规划函数。[2]

二、6R机器人轨迹规划方法在焊接中的应用

（一）轨迹规划仿真模型

基于上述分析，机器人轨迹规划主要分为两种方式，即基于关节坐标空间和基于直角坐标空间的规划方法。可以根据具体作业流程，选择机器人运动轨迹规划方法。对于点位运动而言，需要给出起始点与终点，不需要考虑中间移动路径，可采用关节空间规划方法，满足其各关节加速度和速度等方面的要求，保证轨迹平滑。对于连续运动轨迹而言，则要求机器人在准确达到目标终点的同时，按设计路径进行精确移动。因此，需要采用直角坐标法进行机器人运动轨迹规划。在此过程中，手部轨迹运动按直角坐标系位置与姿态的时间函数进行描述。在机器人完成连续轨迹运行时，设所用时间为T，时间步长为△t，将运动范围L=T/△t段。分别计算出机器人手部的位置和姿态，再采用运动学逆问题计算方法，求取期望关节转角和关节角增量。

（二）仿真分析

采用轨迹规划仿真算法，对机器人运行轨迹进行仿真规划，主要需要确定关节位置和驱动力矩等参数。根据仿真计算结果，由关节力矩的突变情况，判断是否要对关节初值进行修改。分两种情况进行仿真分析，一种是带中间点的点位运动轨迹规划，设有一个中间点，经过该点之前的前半段时长为3s，后半段时长为2s，时间步长为0.01s，分别确定起始点、中间点、目标点的位置和姿势角，进而得到机器人关节位置与驱动力矩时序图。另一种是空间直线点位运动轨迹仿真，设总运动时间为5s，时间步长为0.01s，分别确定起始点、终点的位置和姿态角，以及关节初值，进而得到关节位置时序图和关节驱动力矩图。其仿真结果可以表明关节运动中包含的突变，视情况对关节初值进行修正。

（三）轨迹规划实例

在焊接应用实例中，IVECO车架第三横梁结构主要由左端盖、支架和横梁立体组成，各组分之间采取焊接成型方式。根据横梁焊接位置图，先焊接端盖和横梁立体间的左右两条内環缝，焊枪不动，由夹具带动横梁转动，转动360°后工作台回转180°，机器人带动焊枪也回转180°，从而完成左右两条外环缝和支架的焊接任务。要实现这一应用需求，需要合理设计急切人焊接路径的点移动轨迹。其中，a点为机器人规划轨迹的初始位置，b点为左内环缝的焊接位置，c点为完成左内环缝的焊接位置，d点为右内环缝的焊接位置，e点为完成右内环缝的焊接位置，f点为支架位置。支架抓取依靠电磁吸力，为防止焊接放热把线圈烧坏，需要先进行点焊支架，然后从f点开始对左外环缝进行焊接。利用上述方法进行轨迹规划。为减少累积误差，可设置为每循环5次，焊枪回起始位置1次。

三、结语

综上所述，通过对6R机器人轨迹规划方法进行分析，可以明确关节空间法和直角坐标法的具体适用情况以及规划方法的具体内容。在此基础上，将轨迹规划方法应用到焊接机器人轨迹规划实例中，通过进行仿真建模和仿真分析，可以确保规划轨迹的连续性和平滑性，准确完成设计轨迹，确保操作精准性。

参考文献：

[1]韩兴国，殷鸣，刘晓刚，殷国富.6R机器人逆运动学求解与运动轨迹仿真[J].四川大学学报（工程科学版），2015，47（06）：185-190.

[2]阮启刚，黄磊.6R机器人轨迹规划及仿真[J].机械制造与自动化，2011，40（01）：168-170.