Parametryzacja trajektorii manipulatorów z wykorzystaniem wielomianów wyższych stopni

Opis

Problem planowania trajektorii ruchu manipulatorów jest niezmiernie istotny z punktu widzenia użytkownika. Podczas realizacji dowolnego zadania wykonywanego przez robota niezbędne jest określenie sposobu zmian położenia wszystkich złączy manipulatora.
Zadanie planowania trajektorii składa się z dwóch etapów. Pierwszym jest przestrzenne planowanie toru określone we współrzędnych uogólnionych, natomiast drugim jest parametryzacja w dziedzinie czasu. Parametryzację przeprowadza się przez przyjęcie określonych zmian w czasie położenia oraz jego pochodnych. Większość stosowanych sposobów parametryzacji posiada wady, tj. nieciągłość funkcji przyspieszenia lub szarpnięcia, konieczność podziału trajektorii na przedziały i określanie zależności opisujących wielkości kinematyczne oddzielnie dla każdego przedziału (wyłączając planowanie ruchów multipoint, gdzie w złożonych operacjach wymaga się stosowania różnych wartości parametrów kinematycznych w różnych przedziałach czasu), brak możliwości uwzględnienia wartości początkowych i końcowych itd. Ponadto wiele z tych metod, ze względu na zbyt dużą złożoność obliczeniową, ma znaczenie jedynie teoretyczne. Złożoność obliczeniowa jest jedną z nielicznych wad sposobu parametryzacji wykorzystującego wielomiany wyższych stopni.
Celem pracy jest opracowanie algorytmu planowania trajektorii ruchu z wykorzystaniem wielomianów wyższych stopni przy jednoczesnym uproszczeniu złożoności obliczeniowej. W pracy zrezygnowano z najczęściej stosowanego opisu wielomianu. Do budowy postaci wielomianu określającego funkcję przyspieszenia wykorzystano krotności miejsc zerowych wielomianu. Efektem takiego podejścia jest konieczność wyznaczenia zaledwie jednego współczynnika wielomianu, niezależnie od jego stopnia. Współczynnik ten może być zachowany dla funkcji prędkości, położenia i szarpnięcia.
W pracy przedstawiono analizę literatury i najczęściej stosowane sposoby opisu funkcji wielkości kinematycznych, przedstawiono wielomianowe funkcje położenia, prędkości, przyspieszenia i szarpnięcia oraz wyznaczono współczynniki i czasy ruchu przy ograniczeniu szarpnięcia, przyspieszenia i prędkości, a także zaprezentowano na sześciu przykładach sposób planowania trajektorii manipulatorów wykorzystujący wielomiany wyższych stopni.
Wyniki symulacji wskazują na możliwość wykorzystania wielomianów wyższych stopni do planowania trajektorii ruchu manipulatorów, a przedstawione zależności na funkcje położeń, prędkości, przyspieszeń, szarpnięć oraz wyprowadzone zależności na współczynniki i całkowity czas ruchu mogą być wykorzystane jako gotowe wzorce przebiegów wielkości kinematycznych podczas projektowania manipulatorów i maszyn obróbkowych. Przykłady potwierdzają także znaczną efektywność obliczeniową prezentowanego podejścia.