工业机器人的时间最优轨迹规划

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南方农机

机电设备加工与维护

工业机器人的时间最优轨迹规划

张文军 ，王 伟

（南阳农业职业学院，河南 南阳 473000）

摘 要：随着我国工业逐步向现代化迈进，工业机器人的作用越来越重要。做好机器人的最优时间轨迹规划是实现机器人最优控制的一个重要前提。规划时间最优轨迹的目的就是最大程度的提高机器人的操作速度以缩短其运行的时间，最终提高机器人的工作效率。本文对工业机器人的时间最优轨迹规划问题作了一个简要的概述。关键词：工业机器人；轨迹规划；时间最优轨迹规划中图分类号：TP242.2 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2016）06-0080-02

机械人的时间最优轨迹规划问题是机器人研究领域中一个长期存在的问题，近年来，这一问题受到了专家学习者们的广泛关注，也得到了大量的相关研究成果。对于时间最优轨迹规划问题来说，工业中的每个产业都有其用武之地。

1 机器人的定义

在科技领域，大部分的科技术语会有一个明确的定义，但也有些术语的定义还没有一个权威的、统一的解释，比如说机器人的定义。随着科技的进步，机器人的定义不断的变化，这个词所涵盖的内容愈加丰富。目前比较有代表性的定义有两个，一个是由森政弘与和田周平提出来的：机器人是一种具有智能性、移动性、自动性、智能通用性等七个特征的机器，根据这种理解，森政弘又提出了机器人是具有作业性、信息性、有限性、半人半机械性等十个特征的机器。另一个有关机器人的较权威的定义是由加藤伊朗提出的，他认为机器人应具备以下三个条件，一是机器人应具备平衡觉和固有觉的传感器；二是机器人应具备接触传感器和非接触传感器；三是机器人是一个具备手、脚和脑三个要素的个体。

2 机器人的规划

轨迹规划最早出现在上世纪六十年代。对于机器人规划的定义，可以理解为机器人根据得到的任务，寻求能够解决这一任务的方案的过程[1]。这里提到的任务，是一个广义上的概念，它既可以指机器人的某个具体动作，例如脚部或膝关节的一个动作，也可以指机器人需要解决的一个具体任务。进行轨迹规划就是为了使机器人能够完成这些个预定的动作，再进一步地说，轨迹规划就是根据机器人需要完成的某个任务，对完成这个任务时机器人的每个关节需要移动的速度、加速度、位移及这些数据与时间的关系进行设定。在笛卡尔空间和关节空间内可以进行轨迹规划。末端执行器相对于机座坐标系的姿态和位置，可用笛卡尔坐标来描述，既用矢量p 在三个空间坐标轴上的分量来确定位置，姿态可以用来表示，其中n 表示法线矢量，s 表示指向矢量，

——————————————作者简介： 张文军（1977-），男，河南南阳人，助教，研究方向：

机电技术。

a 表示接近矢量，它们的坐标在三个坐标轴上的分量表示这三个单位向量，这样我们就可以齐次坐标与变换矩阵来表示笛卡尔坐标；机器人的每一个关节的运动是用关节坐标来表示的，在关节坐标系中，机器人的所有关节可以同时运动，也可以每个关节按顺序逐次运动。关节运动的控制是在轨迹规划基础之上进行的。规划技术指的是利用一些抽象的程序语言编写程序指令，并实现机器人的相关功能的研究过程。研究规划时主要的研究内容有机器人本身的组成、机器人所处的环境、机器人作业的模型及基于此的操作规划、作业规划、轨迹规划[2]。

3 机器人的时间最优轨迹规划

工业机器人的时间最优轨迹规划指的是在各种约束条件都能满足的情况下，把时间的最短作为指标来优化机器人的运动轨迹的过程，即机器人的手用最短的时间完成在预定的轨迹上或两点之间的运动，进行时间最优轨迹规划的实际意义是能够提高机器人的工作效率[3]。考虑到时间最优轨迹规划对机器人整体性能的影响，到目前为止，很多的专家对这一领域展开了深入的研究，并总结出了多个解决问题的方案，对这些方案进行分析分类，可以粗略的分为三个不同的类型：1）应用极大值原理解决工业机器人的时间最优轨迹规划问题。2）对于有动力学或运动学约束的机器人时间最优运动问题可以运用各种线性约束的优化算法来解决[4]。3）对于有最大加速度或最大速度约束条件的机器人时间最优运动规划问题，我们可以选择最优轨迹的关节加速度曲线或速度曲线来确定连续运动或点位运动的机器人时间最优轨迹。除了上述的三种方法外，还可以应用遗传算法或神经网络等其他规划方法对机器人的时间最优规划问题进行研究。

4 结束语

自上世纪七十年代以来，工业机器人在制造业领域得到了越来越广泛的应用，尤其是汽车制造行业，已经是工业机器人的主要用武之地，从目前的发展趋势来看，汽车制造领域将需要更多更高技术要求工业机器人。所以提高机器人的工作效率是我们当前面临的一个重要课题，机器人的时间最优轨迹规划是提高（下转第82页）

［n,s,a］

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吸收变齿厚蜗杆加工中所产生的振动，这对其加工制造过程具有积极效果。

3.2 改进车刀

在加工变齿厚蜗杆时，通过合理控制刀尖可防止夹刀现象的产生。如通过使用砂轮将刀尖的表面粗糙度控制在0.8um 左右可提升刀头的耐用性；将刀尖前角控制在15°左右，并将刀具两侧的夹角控制在40°左右时，可加速切削液的冷却；将后角适当减小可避免卷刃问题的出现，并改善刀尖散热状况等。 3.3 选择合适的切削液

对于变齿厚蜗杆的粗车工序来说，宜使用质量浓度为90％的30号机油与铅油混合配制的切削液；而对于精车工序来说，宜使用质量浓度为5％的红丹粉和质量浓度为20％的C14配制而成的切削液。

[4]

度和深度都在不断提升，显著地提升了变齿厚蜗杆的加工质量和效率，但同时我们也要清醒地看到，在采用数控车床加工变齿厚蜗杆时还依然存在一些问题，还需技术人员对数控加工技术不断进行完善和创新，以进一步提升变齿厚蜗杆数控车床加工技术的合理性和经济性。

参考文献：

[1] 张英芝，申桂香，贾亚洲，等.数控车床故障分布规律及

可靠性[J].农业机械学报，2006(1)：156-159.

[2] 王伟平.车床的伺服系统调整技术[D].大连：大连理工大

学，2013.

[3] 陈蓉. 数控车床的伺服系统调整技术[J].硅谷，

2014(19)：38-39.

[4] 周永良.数控车床精度分析及提高精度保持性措施[J].中

国制造业信息化，2010(9)：78-80+84.

（收稿日期：2016-5-27）

4 结束语

总的来说，数控车床在变齿厚蜗杆加工中的应用广

（上接第76页）学校的资金问题，除了政府补贴的部分，学校应自力更生，将学校食堂、超市等承包出去，从中赚取租金，利于缓解中职学校资金紧张的状况，可为实训设施的完善与购置提供重要的经济支持。

练，利于学生汽车运用与维修专业技能的不断提升。

3 结束语

综上所述，发展中职教育是社会发展的必然要求，强化对职业型人才的培养，制定更为科学、有效的人才培养战略，提倡中职汽车运用与维修专业一体化教学，强调理论与实践相互结合的方式，进而实现对汽车维修人才的高效培养。为了更好的支撑中职汽车运用与维修专业一体化教学，应构建汽车维修实训基地，优化教学设施建设，为专业人才培养奠定重要基础，最终实现教学的有效性。

2.3 创新专业课程教学模式

汽车运用与维修专业的一体化教学，应充分体现教学的“一体化”与创新性，将实践教学与理论教学相互结合，在教学实施的过程中能增进师生间的情感与交流，积极开展师生的双向沟通，将理论讲授、实践操作与专业技能训练进行紧密结合，进而制定更为科学、有效的课堂教学方式，利于学生学习兴趣的激发。一体化教学的实施，应在实训基地设置理论讲授课堂，在理论灌输的同时也可开展实践，能及时对汽车维修的相关知识进行验证，可大大增强知识点的衔接。为了实现教学的创意性，可将项目教学法应用其中，让学生以小组的形式来完成项目，利于专业技能的有效训练。此外，还可实施校企合作机制，将教学基地转战到企业中，企业安排相关的专业人士专门对学生进行理论灌输与实践训

[3]

参考文献：

[1] 崔永强.汽车运用与维修专业一体化教学刍议[J].科技展

望，2015(18)：206-207.

[2] 贾立欣.关于中职汽车运用与维修专业教学改革的探讨

[J].职业，2014(5)：34-35.

[3] 王乃春，陈晶.关于中职汽车运用与维修专业教学改革的

思考[J].职业技术，2014(12)：61.

（收稿日期：2016-5-27）

（上接第80页）机器人的操作速度进而降低其运行时间的过程，是提高机器人工作效率的一个行之有效的方法。本文主要对机器人和机器人的时间最优轨迹规划作了一个简要的概述，并对机器人时间最优轨迹规划的几种常用的方法做了一个简单地描述。

参考文献：

[1] 胡佳.工业机器人路径规划和轨迹规划的多目标优化[D].

南京：东南大学，2009.

[2] 蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000：1－

280.

[3] saedeB.Niku 著.孙福春，朱纪洪，刘国栋，等译.机器人

学导论一一分析、系统及应用[M].北京：电子工业出版社，2004：1－154.

[4] 吴立明.工业机器人时间最优轨迹规划及轨迹控制的理论

与实验研究[D].长沙：中南工业大学，2001：3－62.

（收稿日期：2016-5-18）