Matlab代写中的机械臂算法运动轨迹分析

　　中文路径和轨迹在英语中可翻译为：1)path，2)trajectory。我们看一下在MATLAB代写中的“路径”和“轨迹”在机械臂的世界里有什么区别。

　　设想机械臂的end-effector要从A点运动到B点。

　　从A到B叫path。

　　如果我们规定从A到B这个path，必须在特定的时间(t0–t6)，经过这7个点。

　　那么这7个点叫waypoints。路径(trajectory)指的是通过这7个点的具体计划(例如什么时间，以什么速度等等)。规划我们如何经过这7个点的算法，叫做路径规划(trajectory planning)算法。

　　上面这7个点，如果机械臂的end-effector在通过的时候，位置连续、速度连续、甚至加速度也是连续的，那么我们说这个trajectory是平滑的(smooth)。

　　机械臂中有几种比较常见的trajectory：

　　Trapezoidal Trajectories(梯形路径)

　　梯形路径指的是：end-effector在相邻waypoints之间的速度是象梯形一样，先线性加速，然后速度保持不变，在接近目标后线性减速。梯形路径的优点是比较简单实用，但是在每个waypoints之间会有停顿。下图是一个机械臂走梯形路径的样例：在过waypoints的时候，会完全停止，所以走的是直线，速度和加速度肯定不连续。

　　Polynomial Trajectories(多项式路径)

　　其中又分三次多项式和五次多项式。分别写作：

　　三次多项式可以记录end-effector的速度、位置的信息。五次多项式可以记录end-effector的位置、速度、加速度的信息。下图是一个五次多项式的例子，可以看到速度、加速度都是连续的。三次或者五次多项式的trajectory在通过waypoints的时候速度都是连续的，这和梯形路径是不一样的。

　　下图是一个机械臂走五次多项式路径的样例：为了保证过waypoints的时候速度不停顿，走的是曲线。

　　B-splines(B样条曲线)

　　B样条曲线将除了起始点和终点外，将其他的waypoints看成是控制点(control points)。机械臂的end-effector并不会真正通过这些control points，而在他们之间找一条平滑的曲线。这样做的目的是在平滑加速度和曲线拟合的准确性之间找一个折衷方法。

　　如果一个trajectory只有这7个点，无论机械臂控制器的运动控制模块如何强大，都无法保证做到“平滑”的运行。我们必须对路径点进行插值(interpolation)。下图的橙色点为插值点示意。

　　在了解插值后，我们来看一下路径规划出来的信息如何和传递到反向运动学(inverse kinematics)。反向运动学模块将确保end-effector按照规划出来的路径运行，即路径跟随(trajectory following)。

　　这里，我们按插值类型情况分两种模式：

　　1.Trajectory interpolated in task space

　　在这种模式下，中间插值的点是在task space(即XYZ坐标系，或者叫笛卡尔坐标系)进行插值。下图表明了这一过程，这时候trajectory generation只需要做一次，产生所有的waypoints和interpolation points(插值点)。然后运动控制系统在每个控制周期都必须调用inverse kinematics算法去做路径跟随(trajectory following)。

　　2.Trajectory interpolated in joint space

　　在这种模式下，中间插值点的点是在joint space(即对关节角度插值)。下图表明了这一过程，这时候，这时候trajectory generation也只需要做一次，但做的过程和task space的做法不同。即在每一个waypoint调用一次inverse kinematics，然后对关节角度的进行插值。Trajectory following模块只需执行插值后的角度指令。

　　角度方向插值(orientation interpolation)。

　　我们刚才谈到的插值，都是针对end-effector的位置(position，即XYZ的坐标)。我们不应该忽略end-effector的角度方向(orientation)插值。我们看一段动画来了解一下，什么是orientation的插值。

　　可以看到，随着end-effector的移动，它的方向也在不断做出平滑的调整，在end-effector运行到目标位置后，它的方向也调整到位。当然，有很多场合角度方向是不需要调整的。例如：喷漆机械臂，永远将end-effector指向喷漆作业面。

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