KUKA机器人运动轨迹如何规划与优化？

什么是KUKA机器人的运动轨迹？

KUKA机器人的运动轨迹是指机器人工具中心点在三维空间中从起点到终点所经过的路径,以及机器人各轴在整个运动过程中的速度、加速度和姿态变化。

它描述了机器人“如何”从一个位置移动到另一个位置，而不仅仅是“到哪里”。

一个完整的运动轨迹定义通常包含以下几个核心要素：

1. 路径：工具中心点的空间几何路径，是直线、圆弧，还是自定义的曲线。
2. 速度：工具中心点沿路径移动的快慢，通常用 表示（相对于该程序设定的最大速度）。
3. 加速度/减速度：机器人从静止加速到设定速度，或从设定速度减速到静止的过程，这决定了运动的平滑性。
4. 姿态：工具坐标系相对于工件坐标系的朝向，在运动过程中，工具可以保持姿态不变，也可以进行连续变换（焊接时焊枪始终垂直于工件表面）。

KUKA机器人运动轨迹的实现方式

KUKA提供了多种编程和指令方式来定义和执行运动轨迹,主要分为两大类：线性运动和非线性运动。

线性运动

线性运动的特征是工具中心点沿一条直线移动,机器人基座各轴会协同运动，以保证TCP的路径是直的，这是最常用、最重要的运动方式。

• 指令：LIN

• 语法：LIN <目标点> [速度]

• 应用场景：

  • 焊接：确保焊枪沿焊缝直线移动。
  • 涂胶：胶枪沿指定路径直线或曲线运动，保证胶迹均匀。
  • 搬运：将物体从一个精确位置直线移动到另一个位置。
  • 切割/铣削：刀具沿直线进行加工。

• 示例：

  
  （图片来源网络，侵删）

  ; 将TCP以50%的速度从当前点直线移动到名为 "P1" 的目标点
  LIN P1 Vel=50

非线性运动

非线性运动的路径不是直线,而是由机器人各轴的运动组合而成的自然曲线，路径的形状取决于机器人的运动学和目标点的位置。

• 指令：PTP (Point-to-Point) 和 CIRC (Circular)

a) PTP (点到点) 运动

• 特征：机器人以最快、最短的方式移动到目标点，工具中心点的路径不是直线，它的首要目标是到达目标位置和姿态，路径是次要的。

• 指令：PTP

• 语法：PTP <目标点> [速度]

• 应用场景：

  • 大范围快速移动：在工位之间快速穿梭，不关心路径。
  • 上下料：将工件从抓取点快速移动到放置点。
  • 避免碰撞：通过设置中间点，让机器人绕过障碍物。

• 示例：

  ; 机器人以100%的速度（最快）移动到目标点 "P2"
  PTP P2 Vel=100

b) CIRC (圆弧) 运动

• 特征：工具中心点沿着一个圆弧从起点移动到终点。

• 指令：CIRC

• 语法：CIRC <中间点> <终点> [速度]

  • 注意：这里的“中间点”是定义圆弧曲率的关键点，它并不一定在圆弧的实际路径上，机器人通过起点、中间点和终点这三个点来确定唯一的圆弧。

• 应用场景：

  • 圆弧焊接/切割：处理圆形或圆角焊缝。
  • 喷涂：喷涂圆形表面。
  • 曲线运动：任何需要平滑曲线轨迹的应用。

• 示例：

  ; TCP从当前点，经过一个由C_P1定义的圆弧，最终到达C_P2
  CIRC C_P1 C_P2 Vel=80

高级轨迹控制：进阶概念

除了基本的LIN和PTP,KUKA还提供了一些高级指令和功能，用于实现更复杂和精确的轨迹控制。

带姿态控制的线性运动

在许多应用中,不仅需要TCP沿直线运动，还需要工具的姿态也按照特定规律变化。

• 指令：C_PTP (控制PTP) 和 C_LIN (控制LIN)
• 应用场景：
  • 焊接：在焊接拐角时，焊枪的姿态需要平滑过渡，而不是突然改变。
  • 喷涂：喷枪的喷嘴需要始终与工件表面保持垂直，即使工件表面是曲面。

轨迹逼近

在实际应用中,机器人不可能在每一个目标点都完全停止。轨迹逼近允许机器人在接近目标点时就开始减速，从而在到达下一个点之前速度已降至很低，实现了平滑、高效的连续运动。

• 实现方式：

  • 使用逼近指令：CONTINUE (或 CONT)，在运动指令后加上 CONT，告诉控制器在该点不停顿，直接平滑过渡到下一条运动指令。
  • 使用逼近区：在SPTP、SLIN等指令中，可以设置逼近区和接近/离开距离，让机器人在一个区域内就开始减速或加速。

• 示例：

  ; 机器人平滑地从P1移动到P2，在P2点不停顿，继续移动到P3
  LIN P1 Vel=50
  LIN P2 Vel=50 CONT  ; CONT 关键字实现了轨迹逼近
  LIN P3 Vel=50

外部导向轨迹

这是非常强大的功能,允许机器人根据外部信号（如传感器数据）实时调整其运动轨迹。

• 应用场景：
  • 激光切割/焊接：激光传感器实时跟踪工件的轮廓偏差，机器人动态调整路径以补偿偏差。
  • 打磨/去毛刺：力传感器或接触式传感器引导机器人沿着未知或不规则的表面进行加工。
  • 涂胶：视觉或激光传感器引导机器人沿着实际的接缝进行涂胶，即使接缝有偏差。

如何规划和优化运动轨迹？

良好的轨迹规划对机器人应用的效率、精度和寿命至关重要。

1. 选择合适的运动类型：

   • 需要精确路径？用 LIN。
   • 需要快速移动？用 PTP。
   • 需要圆弧路径？用 CIRC。

2. 合理设置速度和加速度：

   • 速度：速度越快，效率越高，但惯性冲击越大，可能导致精度下降或损坏工件，需要在效率和安全性之间找到平衡。
   • 加速度：加速度越大，运动越“急”，对机器人本体和工件的冲击越大，适当降低加速度可以获得更平滑的运动。

3. 使用逼近和连续运动：

   • 在大多数连续路径应用（如涂胶、焊接）中，大量使用 CONT 指令，可以极大缩短节拍时间，并提升运动质量。

4. 避免奇异点：

   当机器人手臂完全伸直或完全折叠时,会进入奇异点区域，在奇异点附近，机器人某些轴的速度会变得极高，难以控制，并可能触发报警，在编程时，应规划路径以远离奇异点。

5. 考虑碰撞风险：

   • PTP 运动的路径是不可预测的，在复杂的空间中进行长距离 PTP 移动时，必须确保路径上没有障碍物，而 LIN 运动的路径是确定的，更容易进行碰撞检测。

理解并熟练运用这些轨迹控制方法,是成为一名优秀KUKA程序员或操作员的关键，在实际应用中，通常会将这些运动方式组合起来，以完成复杂而高效的自动化任务。

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