多自由度机械臂运动轨迹规划与Matlab仿真(2)
1 绪论1.1 课题研究背景机器人的术语 robotics 来自于 robot 这个词，由捷克作家卡雷尔恰佩克在1920 年“罗萨姆的万能机器人”剧本中首次提出[1]。机器人的概念其实存在了很长的时间，有证据表明，早在公元前第三世纪就已经出现。最早关于描述自动机的文献之一是《列子》 ，讲述了周穆王（1023-957 BC）和机械工程师燕石之间的故事，燕石绘制出了一个真人大小的人形机器人工图。公元前420 年，阿契塔乌斯建立了一个木制的，蒸汽驱动的鸟，据说该木制鸟是会飞的。公元1206 年，发明家加扎里创建了第一个早期人形自动机。第一个人型机器人的设计出现在1495 年，当列奥纳多达文西创造了一个机械骑士。1898 年，尼古拉特斯拉将第一台无线电控制容器命名为Teleautomaton。在 1939 和1940 世界展览会上，由西屋电气公司研制的第一个仿人机器人向公众展出。1948，埃尔默和威廉开发第一个具有生物学行为的机器人。
1956 年，乔治创造了第一个商用机器人——通用机械手，并提出了术语：通用自动化，该机械臂在 1961年成为第一个安装的工业机器人。上世纪70 年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展[2]。1979 年，Unimation 公司推出了PUMA 机器人，现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的[3]；到了 80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，机器人技术进一步发展[4]。相比于 70年代的机器人，它对外界环境和对象的感知能力加强，对一些紧急情况可以进行及时处理，被广泛应用于工业制造。目前，机器人主要的研究有以下几个方面：工业机器人结构设计技术不断改进，操作更加人性化，新型高强度轻质材料不断替代旧材料以实现机器的优化运转，机器人结构也向着模块化、可重构化发展[5]；机器人控制倾向于开放式和模块化，更加注重人机交互，提高机器人结构设计和操作优化，基于 PC 机网络式控制器已成为研究热点；多传感系统进一步提高了机器人的智能和适应性，实现了机器人的虚拟遥操作和人机交互。我国目前的机器人产品生产企业比较少，其中还包括一些机器人外围产品，没有形成规模化生产，规模经济并不突出，从整体上来说，我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远[6]。机器人产业是20 世纪以来出现的一种新型热门高技术产业，国际机器人发展加速朝着智能化和多样化发展，市场竞争也愈发激烈，加快机器人技术的研究与发展，深入探索机器人领域的高端核心问题迫在眉睫，也是中国加速与国际接轨的重要途径之一。
1.2 机械臂轨迹规划简介机械臂是一种可编程的，具有类似人类手臂功能的自动化机械手臂[7]。机械臂可能是一个机制的总和，可能是复杂的机器人的一部分。为了计算一个机械臂的运动，计算其轨迹规划方程是至关重要的。如果轨迹的特性是未知的，机械臂的轨迹规划方程不能被计算出来，没有轨迹方程，可能就无法设计出一个正确运行的机械臂，甚至可能造成严重事故。近几十年来，由于机械臂单调重复工作的能力和效率，工作机械臂被广泛地使用，例如在重工业，生产现场或医疗部门。在数学上，机械臂的运动可以通过计算整合的运动学（正向和逆运动学） ，动力学和轨迹规划计算得到。然而，这些数学解决方案很难应用，存在的问题很多，包括未根据实际情况建立运动学方程，无法找到解析式的解和各种复杂的数学方程的求解。此外，数学方法可能只适用于已知机械臂轨迹特性的情况下，且计算机械臂模型也十分复杂。以往的研究者们开发了很多原始的轨迹规划方法，如线性轨迹，直线段抛物线混合轨迹（lspb） ，bang-bang 轨迹，五次多项式轨迹，高阶多项式轨迹等。线性轨迹是最原始的轨迹规划，即通过分段线性函数来表示机器人的运动。lspb 具有梯形速度曲线，和沿一部分路径的恒定速度。速度是从最初的零增加到其期望值，然后当它接近目标位置时，加速度减小。bang-bang轨迹类似于lspb， 但是通过加快速度到最大值使得在短时间内产生运动最快的轨迹。高阶多项式可以应用于机械臂通过少量点的情况，它需要大量的计算。潘等人提出了一种基于采样的规划方法来使得机械臂产生平滑的轨迹，其中包括了三次样条的基本原理；Macfarlance 和克罗夫特提出了一种减少机械臂实时操作时的冲击的方法，包括整合多项式和正弦波加速度函数；Hauser 和 NG 整合了直线轨迹和抛物线轨迹规划方法以使机械臂产生一个快速的平滑轨迹等。随着现代科学技术的发展，机器人路径轨迹规划更多采用了一些智能算法。人们利用一些基本算法，如遗传算法、逻辑控制、模糊推理、神经网络、群蚁算法，拓展衍生出了各种不同的轨迹规划算法。