第1期 胡明伟，等：一种协作型机器人运动性能分析与仿真 ·79· 4 狭小空间轨迹规划与仿真 性和避障能力，能够进入狭小空间内进行作业。 800 4.1狭小空间轨迹规划 为验证该机器人在狭小空间内的作业能力，本 400 文设定了一个狭小作业空间，对机器人进行了避障 0 规划。因为在复杂作业环境中，机器人易与障碍产 生干涉，所以对于路径、姿态两者的瞬时变化规律 400 要求严格，必须在笛卡尔空间进行轨迹规划o。 -800 机器人的作业环境为被障碍物所包围的狭小 800400-400-800400 0 400 800 空间，如图6所示。机器人需到达A点进行作业，在 y X=600mm平面内完成“Z”字形的书写。 (a)初始状态 8001日 800 400 ” 400 0 0 -400 -400 -800 884000-400-800-40 0400 800 8004000-400-800-400 0 400 800 y/mm x/mm 图6机器人工作场景 (b)避障过程1 Fig.6 Working condition of robot 显然，若机器人灵活性较差、无避障能力，例如采 800 用六自由度构型，则机器人必然会与障碍物发生干涉， 无法继续作业。而七自由度协作型机器人能够通过绕 400 连接肩腕两球副之间的直线做自运动，调整肘部的位 置，避开障碍物进入狭小空间作业，如图3(b)所示。 机器人进入狭小空间作业运动过程如图7所 -400 示，机器人从图7(a)状态运动到图7(b)状态过程 -800 中不会与障碍物发生碰撞。但如果机器人保持肘 800400 0-400-800400 0 400 800 部在上的位姿进入作业空间，则一定会与障碍物发 生碰撞。此时机器人在保证腕关节位置不动的情 (c)避障过程2 况下调整肘部位置，改变肘部的位形，如图7（©）所 示。机器人以图7(c)状态进入工作空间，则不会与 800 障碍物发生碰撞。最终以规定末端执行器姿态到 达A点进行作业。 400 4.2狭小空间轨迹仿真 基于MATLAB Robotics Toolbox工具箱对机器人 进行轨迹仿真，从初始状态到达最终状态运动时间为 -400 31.83s。机器人各关节位移曲线和速度曲线如图8和 图9所示，由曲线图可看出该机器人的关节位移曲线 8004000-400-8004000x400 800 平滑连续、无尖角，其关节角速度曲线无突变。这说明 运动过程中机器人工作平稳，在进入狭小空间作业过 (d)工作过程1 程中没有产生较大的振动，能够取得良好的效果。仿 真结果表明，七自由度协作型机器人具有良好的灵活４ 狭小空间轨迹规划与仿真 ４．１ 狭小空间轨迹规划 为验证该机器人在狭小空间内的作业能力，本 文设定了一个狭小作业空间，对机器人进行了避障 规划。 因为在复杂作业环境中，机器人易与障碍产 生干涉，所以对于路径、姿态两者的瞬时变化规律 要求严格，必须在笛卡尔空间进行轨迹规划［１０］ 。 机器人的作业环境为被障碍物所包围的狭小 空间，如图 ６ 所示。 机器人需到达 Ａ 点进行作业，在 Ｘ ＝ ６００ ｍｍ 平面内完成“Ｚ”字形的书写。 图 ６ 机器人工作场景 Ｆｉｇ．６ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ 显然，若机器人灵活性较差、无避障能力，例如采 用六自由度构型，则机器人必然会与障碍物发生干涉， 无法继续作业。 而七自由度协作型机器人能够通过绕 连接肩腕两球副之间的直线做自运动，调整肘部的位 置，避开障碍物进入狭小空间作业，如图 ３（ｂ）所示。 机器人进入狭小空间作业运动过程如图 ７ 所 示，机器人从图 ７（ａ）状态运动到图 ７（ｂ）状态过程 中不会与障碍物发生碰撞。 但如果机器人保持肘 部在上的位姿进入作业空间，则一定会与障碍物发 生碰撞。 此时机器人在保证腕关节位置不动的情 况下调整肘部位置，改变肘部的位形，如图 ７（ｃ）所 示。 机器人以图 ７（ｃ）状态进入工作空间，则不会与 障碍物发生碰撞。 最终以规定末端执行器姿态到 达 Ａ 点进行作业。 ４．２ 狭小空间轨迹仿真 基于 ＭＡＴＬＡＢ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｔｏｏｌｂｏｘ 工具箱对机器人 进行轨迹仿真，从初始状态到达最终状态运动时间为 ３１．８３ ｓ。 机器人各关节位移曲线和速度曲线如图 ８ 和 图 ９ 所示，由曲线图可看出该机器人的关节位移曲线 平滑连续、无尖角，其关节角速度曲线无突变。 这说明 运动过程中机器人工作平稳，在进入狭小空间作业过 程中没有产生较大的振动，能够取得良好的效果。 仿 真结果表明，七自由度协作型机器人具有良好的灵活 性和避障能力，能够进入狭小空间内进行作业。 （ａ）初始状态 （ｂ）避障过程 １ （ｃ）避障过程 ２ （ｄ）工作过程 １ 第 １ 期 胡明伟，等：一种协作型机器人运动性能分析与仿真 ·７９·