机械臂的轨迹规划是机械臂运动控制系统的主要研究方向之一,它的核心任务是确保各个关节的关节位置、关节角速度曲线的连续、平滑以及关节角加速度曲线的连续性,进一步得到运行平滑、无剧烈抖动现象发生的末端执行器轨迹,以减少机械臂的关节磨损,提高工作效率。本文以四自由度桌面级机械臂Dobot Magician为实际的研究对象,设计了基于机械臂的实际应用场景,探讨了得到其时间最优轨迹的规划方法。在关节空间中进行机械臂的轨迹规划,有多种方法。首先,使用B样条函数或者是低阶多项式方法进行轨迹规划,容易造成速度和加速度的突变,而这会加大机械臂关节磨损,减少机械臂的使用寿命;其次,单一的高阶多项式方法虽然可以得到连续平滑的位置、速度曲线和连续的加速度曲线,但是却会使计算量增大,并且容易造成龙格现象。因此本文提出三段组合多项式轨迹规划方法,将机械臂的运行轨迹人为的分为三段,避免了采用一个多项式函数拟合所有的路径点,防止龙格现象的发生,同时也大大降低了计算的复杂度。另外,三段组合多项式方法由于采用不同阶次相结合的方式,并且引入了相关路径点的加速度约束,就能够避免采用单一多项式轨迹规划时存在的加速度不可控、末端执行器的轨迹不够平滑的问题。另一方面,采用单一多项式或者组合多项式轨迹规划方法进行轨迹规划,只是考虑到轨迹本身的性质,而在实际生产中,在满足基本要求的条件下,还要进一步考虑到效率问题和能耗问题,基于此,本文进一步采用改进的粒子群算法,针对组合多项式得到的轨迹进行优化处理,减少机械臂整个运行过程中耗费的时间,达到既有连续平滑的关节角度、角速度曲线和连续的角加速度曲线,又有平滑运行、时间最优的末端执行器轨迹的目的。最后,本文设计了一个基于Dobot机械臂的实际应用场景,并采用单一多项式和组合多项式方法进行轨迹规划,通过比较发现,组合多项式方法不仅得到了关节位置和关节速度连续平滑的曲线,而且其关节加速度曲线也连续可控。采用改进粒子群算法优化轨迹,得到了时间最优轨迹后,按等步长选取一定数目的路径点控制机械臂完成相应的运动,验证了本文方法得到的轨迹在实际机械臂上的实用性。