机器人轨迹弧线规划

  • 主要内容

  1. 弧线轨迹规划
    1. 主要思想:

  一般情况下我们采用三点确定一个圆的方式(三角形外接圆),在空间中如果我们需要直接确定弧线的中心坐标比较困难,所以我们需要将三维中的问题先转化到二维空间中解决,再将二维空间中的位置转换为三维空间中的位置数据。

    1. 公式推导:

第一步:

  首先先确定空间中三点位置p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),p3(x3,y3,z3)

  以这空间三点为基准建立坐标系P1—UVW 确定U,V,W三轴的方向,首先确定U轴的方向:

                                                                           (1)

 确定了U轴的方向之后我们可以选择一个和U轴垂直的单位方向向量作为W轴,则我们定义:

                                                            (2)

我们获得了U轴和W轴的方向,我们需要求其单位向量(虽然说求到这一步我们已经基本可以确定轴的方向,但是后续我们需要单位向量来将三维空间中的数据真实的反应到二维中):

                                                                     (3)

                                                              (4)

根据式(3

### 使用MATLAB机器人工具箱实现弧线轨迹绘图 为了利用MATLAB机器人工具箱绘制弧线轨迹,可以基于空间圆弧插补算法来构建路径规划。此方法适用于不同类型的圆弧——劣弧、优弧以及整圆,并通过指定起始点、中间点和终止点来进行计算[^1]。 #### 准备工作 确保已安装并加载了Robotics System Toolbox,在命令窗口输入`ver`查看是否含有该工具包;如果未安装,则需前往MathWorks官网下载对应版本的软件包。 #### 创建机械臂模型 定义一个简单的两关节平面机械手作为例子: ```matlab robot = SerialLink([0 0; pi/2 0], 'name', 'Simple Planar Manipulator'); ``` 上述代码创建了一个名为'Simple Planar Manipulator' 的二自由度串联型机械手臂对象,其中各列分别表示连杆长度(此处设为零简化处理)与关节轴配置角度(pi/2 表示垂直向上). #### 定义圆弧路径的关键位置 对于想要模拟的具体圆弧运动而言,需要预先设定好三个重要的位姿数据:起点 pose_start, 中间经过的位置pose_mid 和 终止处姿态pose_end: ```matlab % 起始位置 (x,y,z,r,p,y) pose_start = [0.5, 0, 0.5, 0, 0, 0]; % 圆心位于原点上方高度h=0.7m处的一个半径r=0.5米的上半圆周上的某一点作为中途途径位置 pose_mid = [-sqrt(3)/4*0.5, sqrt(3)*0.5/4, 0.7, 0, 0, 0]; % 结束位置回到初始水平面内另一侧相同距离的地方 pose_end = [-0.5, 0, 0.5, 0, 0, 0]; ``` 这里假设了一条特定条件下的圆弧路线,实际应用时应根据具体需求调整这些数值. #### 计算逆向运动学解 针对每一个目标位形调用 `ikine()` 方法获取相应的关节角设置: ```matlab q_start = robot.ikine(pose_start); q_mid = robot.ikine(pose_mid); q_end = robot.ikine(pose_end); ``` 这一步骤解决了从末端执行器期望达到的姿态反推出所需驱动的角度变化问题. #### 插入更多过渡状态形成平滑曲线 为了让动作更加流畅自然,可以在两个关键帧之间插入额外的状态点构成连续的变化过程。例如采用三次样条差值法生成一系列均匀分布的小步长增量序列: ```matlab tspan = linspace(0, 1, 100); % 时间间隔划分成一百份 path = zeros(length(tspan), numel(q_start)); for i = 1:length(tspan) path(i,:) = spline([0 .5 1],[q_start;q_mid;q_end]', tspan(i))'; end ``` 这段脚本实现了由给定端点及其间的控制节点所决定的一段光滑Bézier曲线上采样的操作. #### 执行动画显示效果 最后借助plot函数直观呈现整个移动流程: ```matlab figure; hold on; for q=path' plot(robot,q,'color','b'); drawnow; end axis equal; title('Arc Trajectory Drawing with MATLAB Robotics Toolbox'); xlabel('X Axis'); ylabel('Y Axis'); zlabel('Z Axis'); hold off; ``` 以上就是完整的使用MATLAB机器人工具箱完成一次理想化的圆形轨道描绘的过程描述.
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