Matlab 六自由度机械臂关节空间轨迹规划：从多项式插值到末端轨迹绘制-平芜编程栈

18 matlab六自由度机械臂关节空间轨迹规划算法 3次多项式，5次多项式插值法，353多项式，可以运用到机械臂上运动，并绘制出关节角度，关节速度，关节加速度随时间变化的曲线可带入自己的机械臂模型绘制末端轨迹图

在机械臂控制领域，轨迹规划是至关重要的一环，它决定了机械臂如何从起始点平稳、高效地移动到目标点。今天咱们就来深入探讨一下基于Matlab的六自由度机械臂关节空间轨迹规划，重点看看3次多项式、5次多项式插值法以及353多项式在其中的应用，并且会绘制关节角度、速度、加速度随时间变化的曲线，还会带入自己的机械臂模型绘制末端轨迹图。

3次多项式插值法

三次多项式通常可以用来描述机械臂在起始点和终点之间的平滑过渡。它的一般形式为：

% 假设起始点q0，终点qf，起始时间t0，结束时间tf q0 = [0; 0; 0; 0; 0; 0]; % 起始关节角度 qf = [pi/2; pi/4; pi/6; pi/3; pi/8; pi/10]; % 目标关节角度 t0 = 0; tf = 5; % 运动总时间 % 三次多项式系数计算 a0 = q0; a1 = 0; a2 = 3*(qf - q0)/(tf^2); a3 = -2*(qf - q0)/(tf^3); % 时间向量 t = linspace(t0, tf, 100); % 100个时间点来离散化运动过程 % 计算关节角度 q = a0 + a1.*t + a2.*t.^2 + a3.*t.^3; % 绘制关节角度曲线 figure; for i = 1:6 subplot(6,1,i); plot(t, q(i,:)); title(['Joint ', num2str(i), ' Angle']); xlabel('Time (s)'); ylabel('Angle (rad)'); end

这段代码中，我们首先定义了起始点q0和终点qf的关节角度，以及运动的起始时间t0和结束时间tf。然后根据三次多项式的特性计算出系数a0、a1、a2和a3。通过linspace函数创建了一系列时间点，在这些时间点上计算关节角度q。最后使用subplot函数在同一个图中绘制出六个关节的角度随时间变化的曲线。

为了得到关节速度和加速度，我们对多项式求导。速度的多项式为：

% 计算关节速度 qd = a1 + 2*a2.*t + 3*a3.*t.^2; % 绘制关节速度曲线 figure; for i = 1:6 subplot(6,1,i); plot(t, qd(i,:)); title(['Joint ', num2str(i), ' Velocity']); xlabel('Time (s)'); ylabel('Velocity (rad/s)'); end

加速度的多项式为：

% 计算关节加速度 qdd = 2*a2 + 6*a3.*t; % 绘制关节加速度曲线 figure; for i = 1:6 subplot(6,1,i); plot(t, qdd(i,:)); title(['Joint ', num2str(i), ' Acceleration']); xlabel('Time (s)'); ylabel('Acceleration (rad/s^2)'); end

5次多项式插值法

五次多项式相比三次多项式能够提供更平滑的运动，特别是在起始和结束点，加速度可以平滑地过渡到零。五次多项式的一般形式为：

% 假设起始点q0，终点qf，起始时间t0，结束时间tf q0 = [0; 0; 0; 0; 0; 0]; % 起始关节角度 qf = [pi/2; pi/4; pi/6; pi/3; pi/8; pi/10]; % 目标关节角度 t0 = 0; tf = 5; % 运动总时间 % 五次多项式系数计算 a0 = q0; a1 = 0; a2 = 0; a3 = 10*(qf - q0)/(tf^3); a4 = -15*(qf - q0)/(tf^4); a5 = 6*(qf - q0)/(tf^5); % 时间向量 t = linspace(t0, tf, 100); % 100个时间点来离散化运动过程 % 计算关节角度 q = a0 + a1.*t + a2.*t.^2 + a3.*t.^3 + a4.*t.^4 + a5.*t.^5; % 绘制关节角度曲线 figure; for i = 1:6 subplot(6,1,i); plot(t, q(i,:)); title(['Joint ', num2str(i), ' Angle']); xlabel('Time (s)'); ylabel('Angle (rad)'); end

同样，对五次多项式求导可以得到关节速度和加速度：

% 计算关节速度 qd = a1 + 2*a2.*t + 3*a3.*t.^2 + 4*a4.*t.^3 + 5*a5.*t.^4; % 绘制关节速度曲线 figure; for i = 1:6 subplot(6,1,i); plot(t, qd(i,:)); title(['Joint ', num2str(i), ' Velocity']); xlabel('Time (s)'); ylabel('Velocity (rad/s)'); end

% 计算关节加速度 qdd = 2*a2 + 6*a3.*t + 12*a4.*t.^2 + 20*a5.*t.^3; % 绘制关节加速度曲线 figure; for i = 1:6 subplot(6,1,i); plot(t, qdd(i,:)); title(['Joint ', num2str(i), ' Acceleration']); xlabel('Time (s)'); ylabel('Acceleration (rad/s^2)'); end

353多项式

353多项式结合了三次和五次多项式的优点，在起始和结束阶段使用五次多项式，中间阶段使用三次多项式，以达到更好的平滑性和效率。

% 假设起始点q0，终点qf，起始时间t0，结束时间tf q0 = [0; 0; 0; 0; 0; 0]; % 起始关节角度 qf = [pi/2; pi/4; pi/6; pi/3; pi/8; pi/10]; % 目标关节角度 t0 = 0; tf = 5; % 运动总时间 % 划分时间区间 t1 = tf/4; % 第一段五次多项式结束时间 t2 = 3*tf/4; % 第二段五次多项式开始时间 % 第一段五次多项式系数计算 a0_1 = q0; a1_1 = 0; a2_1 = 0; a3_1 = 10*(qf - q0)/(t1^3); a4_1 = -15*(qf - q0)/(t1^4); a5_1 = 6*(qf - q0)/(t1^5); % 中间三次多项式系数计算 q1 = a0_1 + a1_1*t1 + a2_1*t1^2 + a3_1*t1^3 + a4_1*t1^4 + a5_1*t1^5; qd1 = a1_1 + 2*a2_1*t1 + 3*a3_1*t1^2 + 4*a4_1*t1^3 + 5*a5_1*t1^4; a0_2 = q1; a1_2 = qd1; a2_2 = 3*(qf - q1)/((t2 - t1)^2); a3_2 = -2*(qf - q1)/((t2 - t1)^3); % 第二段五次多项式系数计算 a0_3 = qf; a1_3 = 0; a2_3 = 0; a3_3 = -10*(qf - q1)/((tf - t2)^3); a4_3 = 15*(qf - q1)/((tf - t2)^4); a5_3 = -6*(qf - q1)/((tf - t2)^5); % 时间向量 t = linspace(t0, tf, 100); % 100个时间点来离散化运动过程 % 计算关节角度 q = zeros(6, length(t)); for k = 1:length(t) if t(k) <= t1 q(:,k) = a0_1 + a1_1*t(k) + a2_1*t(k)^2 + a3_1*t(k)^3 + a4_1*t(k)^4 + a5_1*t(k)^5; elseif t(k) <= t2 q(:,k) = a0_2 + a1_2*(t(k)-t1) + a2_2*(t(k)-t1)^2 + a3_2*(t(k)-t1)^3; else q(:,k) = a0_3 + a1_3*(t(k)-t2) + a2_3*(t(k)-t2)^2 + a3_3*(t(k)-t2)^3 + a4_3*(t(k)-t2)^4 + a5_3*(t(k)-t2)^5; end end % 绘制关节角度曲线 figure; for i = 1:6 subplot(6,1,i); plot(t, q(i,:)); title(['Joint ', num2str(i), ' Angle']); xlabel('Time (s)'); ylabel('Angle (rad)'); end

对于关节速度和加速度的计算，同样是对上述不同区间的多项式求导，这里就不再赘述，大家可以按照之前的思路自行推导和编写代码。

绘制末端轨迹图

要绘制机械臂的末端轨迹图，我们需要知道机械臂的运动学模型。假设我们已经有了正运动学函数fkine，它可以根据关节角度计算出末端位置。

% 假设已经定义了正运动学函数fkine % 计算每个时间点的末端位置 end_effector_pos = zeros(3, length(t)); for k = 1:length(t) end_effector_pos(:,k) = fkine(q(:,k)); end % 绘制末端轨迹图 figure; plot3(end_effector_pos(1,:), end_effector_pos(2,:), end_effector_pos(3,:)); xlabel('X (m)'); ylabel('Y (m)'); zlabel('Z (m)'); title('End - effector Trajectory');

在实际应用中，fkine函数需要根据你的具体机械臂模型来编写，可能涉及到DH参数、齐次变换矩阵等知识。

通过上述的各种多项式插值法，我们可以有效地规划六自由度机械臂在关节空间的运动轨迹，并且通过Matlab强大的绘图功能直观地展示出关节角度、速度、加速度的变化以及末端轨迹，这对于优化机械臂的运动控制具有重要意义。希望大家在实际项目中能够灵活运用这些方法，打造出更加高效、精准的机械臂控制系统。