1. 研究目的及意义

   随着机器人技术的普及，机器人在工业、农业、医疗、教育、生活、交通、海洋、航天、救灾、军事等方面都获得了大量应用。机器人的研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，是推进传统产业改造升级和结构调整的重要支撑。与计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且也可以保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约材料消耗以及降低生产成本。因此，研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、 推广机器人的应用是有现实意义的。

   工业4.0的新模式要求机器人和人类之间进行安全合作。与其他机械手臂不同，他们可以在没有任何额外安全措施的情况下互相帮助和协作。这意味着，机器人应具备获取环境的能力，并规划路线避开障碍物和人。人与机器人之间的合作要求机器人可以重新规划到达目标位置的路径，以实时避免与人体部位和障碍物的碰撞，即在手臂移动的同时进行。

   在开发工业机器人系统时，路径规划是要考虑的一个重要步骤。路径规划是机器人技术的关键领域，主要解决在障碍物环境下的机器人自主寻找一条从给定起点到终点的路径。要实现约束条件下的路径规划，也就是通过规划和控制等方法的结合以维持一个平滑的运动轨迹。为找到适合非完整约束的机器人穿越动态环境的可行路径，提出了一种基于 Hermite三次样条的基线平滑路径的实用方法。它考虑到机器人的约束条件，通过调整和弯曲样条来实现避障。这种方法可以对路径进行反复完善来直接计算出一条可行的路径，并最终查找到一条适合于非结构化环境的、高效的、无碰撞的实时路径。

2. 国内外研究现状

   自1956年机器人产业诞生后，经过近60年发展，机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业。机器人与人工智能技术、先进制造技术和移动互联网技术的融合发展，推动了人类社会生活方式的变革。当代工业机器人技术发展一方面表现在工业机器人应用领域的扩大和机器的种类增多；另一方面表现在机器人机械系统的性能的提高和控制系统的智能化。前者指的是应用领域的横向拓宽，后者是在性能及水平上的纵向提高。

   20世纪50年代末，美国采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人；60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用；1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

   我国工业机器人经过30多年的发展已经初具规模。目前我国已生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内诸多企业的生产线上；一批机器人技术的研究人才也涌现出来。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术；运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线与周边配套设备的开发和制备技术等。但是在多传感器信息融合控制技术、遥感加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人机械化等开发应用方面刚刚起步，与国外先进水平有差距。

2. 研究的基本内容与方案

本文以工业机器人的运动规划为背景，针对抓取任务，通过RRT算法实现工业机器人无碰撞路径规划，通过插值技术对路径进行平滑，最后基于ROS搭建工业机器人运动规划平台。

本文采用通用型六自由度机械臂为研究对象，根据D-H方法建立数学模型，可以依次得到各个关节在基坐标下的位姿矩阵。为解决机械臂整体与障碍物之间碰撞问题，提出了一种基于kinect传感器获取环境空间的系统，在避开物体的同时执行机械手臂的路径规划。让Kinect传感器创建一个真正障碍物的点云，并指示MoveIt！虚拟操纵器不能碰撞的地方，也就是操纵者可以移动到达目标物的位置。动态防撞系统验证的工作环境是用一个长方体盒子形成真正的障碍。虚拟操纵器模型固定在工作台的中心，以便机械手臂保持在盒子和人之间，而不与它们接触。在此阶段，使用 FCL 库检查冲突，用OMPL规划器创建路径，路径规划算法采用RRT（快速探索随机树），通过创建状态树来完成从初始姿势到最终姿势的路径规划。机械臂在运行中会发生抖动，应采用满足速度约束条件的三次插值曲线平滑处理，确保机械臂的速度连续性。