scara机器人插补

什么是插补？

我们需要理解“插补”的基本概念。

想象一下,机器人需要从A点直线移动到B点，A点和B点是两个离散的、已知的点，机器人并不是瞬间“瞬移”到B点的，它必须经过A和B之间的所有中间点才能形成一条连续的轨迹。

插补 就是在这些已知的路径点（起点、终点、中间点）之间，计算出一系列中间点的坐标值的过程，它决定了机器人如何“填充”这些点，从而形成预设的轨迹（如直线、圆弧等）。

插补就是“在离散点之间生成连续轨迹”的核心算法。

为什么SCARA机器人需要插补？

SCARA机器人（选择顺应性装配机器人手臂）通常用于高速、高精度的平面搬运、装配、点胶等任务，这些任务对运动轨迹的要求非常高：

• 精度要求：必须精确到达指定位置，不能有超程或不足。
• 速度要求：为了提高生产效率，机器人需要在保证精度的前提下尽可能快地运动。
• 轨迹平滑要求：轨迹不平滑会导致振动、噪音、机械磨损，并降低定位精度，在圆弧插补中，如果轨迹不平滑，就会形成多边形而不是光滑的圆。

高性能的插补算法对于SCARA机器人至关重要,它直接影响了机器人的工作效率、产品质量和设备寿命。

SCARA机器人常用的插补算法

SCARA机器人主要在二维平面（或加上Z轴的简单三维）内运动，因此其插补算法也主要针对平面轨迹，最核心的两种是直线插补和圆弧插补。

a. 直线插补

这是最基本、最常用的插补方式。

• 目标：让机器人工具中心点以恒定的速度，沿着一条直线路径从起点移动到终点。

• 原理：

  1. 已知起点坐标 (X1, Y1) 和终点坐标 (X2, Y2)。
  2. 计算出总位移向量 (ΔX, ΔY) = (X2 - X1, Y2 - Y1)。
  3. 将总位移分解成许多个微小的步长（由控制器的采样周期决定）。
  4. 在每个采样周期,机器人控制器都会计算当前应该到达的中间点坐标： X_current = X1 + (ΔX * progress) Y_current = Y1 + (ΔY * progress) progress 是一个从0到1的系数，代表已经完成的行程比例。
  5. 控制器计算出每个中间点的坐标后,会逆解出此时SCARA机器人四个关节（基座旋转、大臂旋转、肘部旋转、Z轴升降）应该到达的角度值，然后驱动电机运动到该位置。

• 应用场景：两点之间的搬运、焊接路径、涂胶的直线段等。

b. 圆弧插补

用于生成圆形或圆弧形的轨迹。

• 目标：让机器人工具中心点沿着一个指定的圆弧运动。

• 原理： 圆弧插补比直线插补复杂，因为它需要定义更多的参数：

  • 起点：P1 (X1, Y1)
  • 终点：P2 (X2, Y2)
  • 圆心：Pc (Xc, Yc) 或 半径 和 方向（顺时针/逆时针）

  控制器会根据这些参数,计算出圆弧的几何方程，类似于直线插补，它会将圆弧的总角度（从起点到终点）分解成许多微小的角度步长，在每个采样周期，它都会根据当前角度计算出对应的 (X, Y) 坐标，然后进行逆运动学求解，驱动关节运动。

  注意：实现圆弧插补时，必须确保起点、终点和圆心/半径能够构成一个有效的圆弧。

• 应用场景：圆形零件的边缘涂胶、圆弧焊接、绕过障碍物等。

c. 其他高级插补

除了基础的直线和圆弧,现代SCARA机器人控制器通常还支持更复杂的插补方式：

• 连续轨迹插补：这是实现高速、高平滑运动的关键，它将直线插补和圆弧插补无缝地连接起来。

  • 问题：如果简单地从一个轨迹段（如直线）切换到另一个轨迹段（如另一条直线），在连接点处速度方向会发生突变，产生冲击和振动。
  • 解决方案：CTI算法会“预读”下一段或几段程序路径，在接近当前路径段终点时，它就开始平滑地减速，并规划出一条过渡曲线，使得速度和加速度都能连续变化，平稳地进入下一段路径的加速阶段，这极大地提高了轨迹的平滑度和整体速度。

• 样条曲线插补：

  • 原理：使用高阶的样条曲线（如三次样条曲线）来拟合一系列给定的路径点，这种方式生成的轨迹比直线和圆弧的组合更加平滑，因为它的曲率是连续变化的。
  • 优点：非常适合通过多个无约束点的复杂路径规划，如涂胶、密封等应用，可以获得非常美观和流畅的轨迹。

• 螺旋线插补：

  • 原理：这是一种三维插补，工具中心点在XY平面内做圆弧运动的同时，Z轴也在进行线性运动，合成后的轨迹是一个螺旋线。
  • 应用场景：螺纹的拧入/拧出、螺旋缠绕等。

插补的实现流程

插补过程是一个闭环控制,大致流程如下：

1. 路径规划：操作员或上位机通过编程，定义一系列的路径点和运动类型（如G代码中的G01直线，G02/G03圆弧）。
2. 轨迹生成：控制器根据当前的运动指令（如从A点到B点的直线），启动相应的插补算法（如直线插补算法）。
3. 实时计算：在每一个极短的控制周期（例如1ms或2ms）内： a. 插补计算：根据当前时间和设定的速度，计算出在这一周期内，TCP应该到达的目标位置坐标 (X_target, Y_target, Z_target)。 b. 逆运动学求解：将这个目标位置坐标，通过逆运动学方程，转换为机器人四个关节应该达到的目标角度 (θ1, θ2, θ3, Z)。 c. 位置控制：将计算出的目标角度与当前编码器反馈的实际角度进行比较，得到误差，控制器（如PID控制器）根据这个误差，计算出电机应该输出的力矩或电压，驱动电机向目标位置运动。
4. 循环往复：这个过程以极高的频率不断循环，使得机器人能够精确地沿着规划的轨迹连续运动。

影响插补性能的关键因素

• 控制器性能：控制器的计算能力决定了插补算法的复杂程度和运算速度，高性能的控制器可以实现更复杂的样条插补和更快的CTI。
• 伺服系统性能：电机的响应速度、编码器的分辨率和传动机构的刚性，直接影响机器人能否快速、准确地到达插补计算出的每一个中间点。
• 插补周期：控制器的运算周期越短（频率越高），计算出的中间点就越密集，轨迹就越平滑，精度也越高。
• 运动规划：速度、加速度、加加速度（Jerk）的设定，合理的规划可以避免机械冲击，实现平稳运动。

对于SCARA机器人而言,插补技术是其“大脑”和“神经系统”的核心，它不仅仅是简单的点到点移动，而是通过复杂的算法，将离散的指令转化为连续、平滑、精确的物理运动，从基础的直线和圆弧，到高级的连续轨迹和样条插补，这些技术的发展直接推动了SCARA机器人在自动化领域向着更高速度、更高精度和更高柔性的方向不断迈进。