軌跡規(guī)劃是機器人運動控制的基礎(chǔ)，軌跡規(guī)劃的結(jié)果直接影響機器人工作過程中控 制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其可靠性。合理的軌跡規(guī)劃能夠使機器人順利完成空間復(fù)雜的軌跡曲 線，并準確、快速、平穩(wěn)的到達指定位置，因此，機器人的軌跡規(guī)劃算法研宄具有重要 的理論意義和工程價值。
研究發(fā)現(xiàn)，在機器人的軌跡規(guī)劃中加入動力學模型進行軌跡優(yōu)化，得到的運動控制 擬合曲線能夠極大地提高機器人的運行速度和穩(wěn)定性。由于運動學與動力學模型相結(jié)合 的軌跡規(guī)劃是基于理想系統(tǒng)模型的分析，所以不會增加系統(tǒng)的硬件成本，它是快速、高 效提高系統(tǒng)性能的一個有效手段，在Delta機器人的軌跡規(guī)劃中，將會把動力學模型加 入到軌跡規(guī)劃中來。
為了更好地對關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和工作空間軌跡規(guī)劃擬合曲線進行分析，對兩種軌 跡規(guī)劃方法得到的Delta機器人工作空間整體擬合曲線進行對比如圖3-19所示，紅色實 線和綠色虛線分別表示工作空間和關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃得到的工作空間擬合曲線，圖（a) 為工作空間內(nèi)的整體位移曲線圖，圖（b)為末端執(zhí)行器水平轉(zhuǎn)運階段位移曲線放大圖，由圖可知，利用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法得到的擬合曲線在水平轉(zhuǎn)運階段y軸方向的抖動大約為9mm，抖動的主要原因有兩方面：第一，在關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃中，對拐彎半徑控 制點進行調(diào)整，以減小Delta機器人末端執(zhí)行器抓取和釋放物體的豎直運行階段x軸方 向的抖動，但是，增加了水平轉(zhuǎn)運階段y軸方向的抖動；第二，在關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃中， 選取的工作空間關(guān)鍵點不對稱。圖（c)、（d)為Delta機器人末端執(zhí)行器抓取和釋放物 體的豎直運行階段放大圖，由圖可知，關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法得到的擬合曲線在x軸方 向分別有0.6mm、0.8mm的輕微抖動。工作空間軌跡規(guī)劃方法得到的擬合曲線在X、j 軸方向沒有抖動，結(jié)合圖3-12和3-16可知，利用工作空間軌跡規(guī)劃方法得到的工作空 間擬合曲線明顯好于利用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法得到的工作空間擬合曲線。
由于Delta機器人使用的直驅(qū)力矩電機精度較高，其旋轉(zhuǎn)編碼器的精度高達 405000c〇Unt, —般的伺服驅(qū)動器難以達到如此高的控制精度，Copley驅(qū)動器是使用成熟 的一類高性能驅(qū)動器，其交流伺服驅(qū)動器體積緊湊、輸出功率大并滿足所需的高精度控 制要求，所以選擇了 Copley交流伺服驅(qū)動器對高精度直驅(qū)力矩電機進行PID控制。
Delta機器人軌跡規(guī)劃目標如下所示：滿足部分軌跡精確要求，滿足與時間相對應(yīng)的點位與速度要求；進行軌跡優(yōu)化，降低系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件的受力與沖擊；提高系統(tǒng)整體的速度、精度與部件壽命。
DMC-18X2系列運動控制卡可直接插入到PCI總線，具有高速通信、非易失程序存 儲器、高速編碼器反饋接收、高抗干擾性（EMI)等強大功能。DMC-18X2專為解決復(fù) 雜運動難題而設(shè)計，能夠用于涉及JOG、PTP定位、多軸聯(lián)動、矢量定位、電子齒輪同 步、電子凸輪、多任務(wù)、輪廓運動等。控制器通過可編程加減速對軌跡進行平滑處理， 可大大減小運動沖擊。為了滿足復(fù)雜輪廓平滑跟蹤，DMC-18X2還提供無限直線、圓弧 線段的矢量進給。
本章主要闡述了 Delta機器人的運動控制系統(tǒng)，簡要的介紹了離線軌跡規(guī)劃和實時 在線軌跡規(guī)劃的應(yīng)用場合，并對兩種軌跡規(guī)劃的優(yōu)缺點進行了陳述，在Linux系統(tǒng)的機 器人操作系統(tǒng)ROS下搭建了機器人的軟硬件，編寫了機器人的Galil運動控制卡程序， 從Copley驅(qū)動器中分別讀取了三種軌跡規(guī)劃方法得到的運動控制曲線參數(shù)，證明了三 種軌跡規(guī)劃方法的實用性，并對其運動學和動力學實驗結(jié)果進行了對比，得到了關(guān)節(jié)空 間和混合空間的軌跡規(guī)劃方法更適合機器人實際控制的結(jié)論。最后，為了實現(xiàn)用戶友好 型操作，編寫了機器人的運動控制GUI界面。
上述Delta機器人的關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃及其動力學軌跡優(yōu)化模型是對關(guān)節(jié)空間驅(qū)動 電機的軌跡規(guī)劃及其動力學優(yōu)化模型，動力學優(yōu)化后，減小了所需驅(qū)動電機力矩和功率 的峰值。由圖3-12可知，關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃擬合曲線經(jīng)過運動學正解轉(zhuǎn)換得到的工作空 間擬合曲線，在末端執(zhí)行器豎直方向運行階段，x方向的速度、加速度擬合曲線稍有抖 動，擬合曲線的加速度峰值相差較大?？紤]到工作空間的各種情況，例如，在某些特殊 情況下，抓取和釋放物體時豎直運行階段水平方向不能抖動，工作空間擬合曲線的加速 度峰值要求在一定范圍內(nèi)等，即要求機器人具有良好的工作空間性能。由于在工作空間 內(nèi)進行軌跡規(guī)劃得到的擬合曲線一般具有良好的工作空間性能，為了實現(xiàn)上述要求，本 小節(jié)將對Delta機器人進行工作空間的軌跡規(guī)劃。
為了保證Delta兩自由度高速并聯(lián)工業(yè)機器人高速、高精度的平穩(wěn)運行，必須選擇 合理的運動控制系統(tǒng)，本章節(jié)將會介紹Delta機器人使用的開源機器人操作系統(tǒng)ROS下 的硬件和軟件，包括視覺伺服、Galil運動控制卡、Copley驅(qū)動器、直驅(qū)力矩電機和基于 Linux系統(tǒng)的機器人操作系統(tǒng)ROS下的軟件控制界面，最后，通過實驗驗證上一章節(jié)中 三種軌跡規(guī)劃方法的實用性。
機器人操作系統(tǒng)ROS (Robot Operation System)是專為機器人軟件開發(fā)所設(shè)計的一套電腦操作系統(tǒng)架構(gòu)，它是開源的元級操作系統(tǒng)（后操作系統(tǒng)），提供類似操作系統(tǒng)的服 務(wù)，包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間消息傳遞、程序 發(fā)行包管理，它也提供一些工具程序和庫用于獲取、建立、編寫和執(zhí)行多機融合的程序。 ROS的主要設(shè)計目標是便于機器人研發(fā)過程中代碼復(fù)用，是一個分布式的進程框架，執(zhí) 行程序可以各自獨立的設(shè)計，松散的、實時的組合起來[67]。
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