无碰撞运动规划器
运动规划功能可在机器人工作空间内自动生成无碰撞路径。在RoboDK中，该功能采用“概率路线图”（Probabilistic Roadmaps, PRM）算法实现。
首先，绘制机器人工作空间地图。然后，在机器人编程过程中，利用该地图在编程时实时计算无碰撞轨迹。。
PRM 算法具有以下两个特性：
●概率性：在构型空间（机器人所有可能运动位置的集合）中随机采样点，而非均匀覆盖整个空间，因此计算速度显著快于传统方法。
●路线图：首先生成全局工作空间的拓扑路线图，再基于此规划路径。
这篇博文有关机器人运动规划的介绍，请参阅本博文。
Video：介绍RoboDK的无碰撞运动规划功能https://www.youtube.com/watch?v=KPR2aOZn924&list=PLjiA6TvRACQd8pL0EnE9Djc_SCH7wxxXl&index=10
使用PRM运动规划
在RoboDK中，PRM运动规划分为两个独立阶段，这种分离设计显著提升了算法效率。速度较慢的 "构建阶段 "只需执行一次，而速度较快的 "查询阶段 "则可重复精度多次：
这两个阶段是
- 构建阶段（较慢）：PRM算法在机器人自由工作空间内随机布点，并尝试连接这些点，形成无碰撞路径的路线图。
- 查询阶段（快速）：利用已构建的路线图，快速计算两个目标点之间的最短无碰撞路径。
关于RoboDK PRM算法原理详见本篇博文。
本节将以焊接工作站为例，演示如何在RoboDK程序中应用这两个阶段。
设置运动规划
要使用运动规划器，必须有一个机器人，同时配备工具。工作空间中至少需要一个物体，否则无需进行碰撞规避。建议至少设置两个目标点作为生成的避障路径的起点和终点位置。
示例焊接设置可通过以下流程创建：
1.选择一个机器人：
a.在菜单栏中选择：文件➔
b.使用筛选器查找机器人。例如，选择 ABB IRB 2600-12/1.85（选择以下筛选条件：ABB（品牌）、10-20 千克负载和1500-2000 毫米触距
c.选择 "下载"，双击文件，机器人会显示在RoboDK工作站中
2.选择工具：
a.从同一在线资源库中，按类型筛选➔工具（先点击：重置筛选器，删除之前的筛选器）
b.下载工具，如 " Weld Gun"
c.双击文件，工具会自动连接到机器人上
d.加载工具后，可关闭在线资源库
3.添加参考坐标系：
a.选择程序➔
b.在工作站中选择新的参考坐标系，按 F2 将其重命名为 "Obstacle Reference”
4.添加一些物体：
a.在菜单栏中选择：文件➔
b.导入一个物体，如 "Object Table.wrl"。
c.将物体拖放到工作站中的 "Obstacle Reference"内。
d.导入另一个物体，如"box.stl"，并将其也拖到Obstacle Reference内。
e.通过以下操作将桌子移到机器人面前：
i.右键单击Obstacle Reference，选择 "选项…"（或直接双击Obstacle Reference），弹出坐标详情面板
ii.在名为 "参考系的位置相对于"的面板中输入以下值：1000、0、400、90、0、0
f.必要的话，可按照以下步骤放大 "箱"的尺寸和位置：
iii.右键单击工作站树中的物体，选择 "选项"（或直接双击box），弹出 "物体详情"面板
iv.单击 "更多选项➔应用缩放比例，然后在缩放比例中输入 "4.0"。
v.在名为 "物体位置相对于 "的面板中输入以下值，将箱移动到台面上：0, 0, 200, 0, 0, 0
5.创建目标：
a.在主菜单栏中选择：程序➔
b.在工作站中选择该目标，然后按F2键命名为 "start target
c.然后这样做来移动目标：
vi.右键单击工作站树中start target目标，选择 "选项"（或按 F3），弹出 "start target "面板。
vii.在目标点位置相对于Obstacle Reference面板中输入以下值：500, 0, 0, 90, 0, 180
d.用同样的方法创建第二个目标，并将其重命名为 "end target"。使用与之前相同的方法，将其移动到以下位置：-500, 0, 0, 90, 0, 180
关节限制约束
在创建PRM路线图时，通常不需要使用机器人的全部工作空间。通过限制关节运动范围，可显著提升建图效率，并确保采样点集中在任务相关区域。
6轴机器人最常限制的两个关节：
1.关节 1（底座旋转关节）--限制其范围可防止机器人过度偏离工作区两侧。
2.关节 3（肘关节）--限制其范围可避免肘部在"向上"和"向下"配置间切换。
操作步骤：
1.右键点击工作站树中的机器人模型（如ABB IRB 2600-12/1.85），选择 选项...（或直接双击机器人名称）
2.在 手动调节关节轴 区域，拖动需要限制关节的滑块（如θ₁和θ₃），找到合适的下限位置
3.双击关节下限数值（如θ₁默认值-180），在弹出的设置机器人关节-设置关节下限 面板中调整
4.将关节下限设为θ1 = -50 和θ3 = -90。
5.更改关节限位，然后单击 "确定"。
6.使用与关节上限相同的过程，设置θ1 = 50。
这一变化可通过查看机器人的可达工作空间来观察。在机器人面板的“工作空间”部分选择“显示当前工具”，即可展示工作空间。此时仅会显示新关节限制下机器人可到达的工作区域。
选择PRM参数
PRM 算法通过以下三个参数生成可到达位置的路线图：
1.样本数 - 在机器人可达工作空间内随机生成的位姿点数量，默认值100个。
2.每个样本的边 - 算法尝试将每个采样点与其他点连接，形成无碰撞路径（称为“边”），默认每点最多25条边。
3.机器人步长 (度) - 检测边是否无碰撞时，算法按固定间隔（默认4°）分段验证碰撞。这些间隔之间的距离由机器人步长决定。默认值为 4 度。
这三个参数共同决定路线图的精细度和计算耗时，它们还会影响在构建阶段生成路线图所需的时间。
样本数越多，每个样本的边数越多，路线图更精细，但计算时间更长。机器人步长越大，生成路线图的速度越快，建图更快，但可能漏检碰撞。
默认参数下约15分钟（具体取决于工作空间和机器人型号），具体取决于工作区的设置和机器人的属性。
有关设置这些参数的最佳做法，请参阅本节末尾的Tip。
生成路线图
运动规划器的 "构建阶段 "是通过以下流程实现的，该流程可生成机器人工作空间的路线图：
1.打开面板：无碰撞运动规划器，通过实用工具菜单➔ Collision-free motion planner➔Create collision-free map，或者点击
2.输入新参数或保留默认值。
3.单击"Update Map"生成路线图。
随后，PRM 算法将使用所选参数生成路线图。生成完成后，可以通过勾选Display Map查看生成好的路线图。单击"Display Samples"，机器人将在工作区内的所有样本中移动。
目标点链接
当两个目标点或程序相互链接时，系统将启动运动规划器的"查询阶段"。
链接两个目标点的操作方式：
1.方法一：按住 Ctrl 键：
a.左键单击运动起始目标点（示例中名为"Start Target"的点）。
b.按住 Ctrl键。
c.左键单击目标位置点（如"End Target"）
d.右键单击任意一个目标点，选择：Link selected targets。若已打开面板：Collision-free motion planner，也可直接点击按钮：Link seclected targets/programs
2.方法二：使用Shift键：
a.在工作站树状图中将两个目标点上下排列：起始点在上，终点在下（通过右键拖拽目标点可调整位置，释放时会弹出位置确认菜单）
b.左键点击一个目标。
c.按住Shift 键。
d.左键点击另一个目标。
e.右键点击两个目标中的任意一个，然后选择"Link selected targets"。或者，如果 "Collision-free motion planner "面板已打开，点击 "Link seclected targets/programs "按钮。
f.右键单击任意一个目标点选择：Link selected targets，或通过面板：Collision-free motion planner的按钮Link seclected targets/programs，点击它完成操作。
两种方法都将基于已保存的路径图生成连接目标点的新程序。若要创建反向运动，只需调换选择顺序：Ctrl键法：先选"End Target"再选"Start Target"。Shift键法：在树状图中调换两个目标点的上下位置
程序链接
PRM运动规划器可通过类似方式链接两个独立程序，生成包含无碰撞过渡路径的新主程序。
以下以焊接为例演示操作流程：
1.创建4个子目标点，作为 "物体参考 "坐标系的子坐标系（右键单击工作站树中的 "物体参考"，选中启用参考系）。然后通过选择程序➔ 
2.在工作站中依次选择每个目标，然后输入以下名称和数值。要更改目标名称，请按 F2 键或右键单击目标并选择重命名。要更改目标值，请按 F3 键弹出目标面板，或右键单击目标并选择选项。在 "目标点位置相对于 "输入以下数值：
a.名称："Left Point 1 "值： 200、200、0、90、0、-135
b.名称：" Left Point 2"值： 200、-200、0、90、0、-135
c.名称：" Left Point 3"值：-200, 200, 0, 90, 0, 135
d.名称：" Left Point 4 "值：-200, -200, 0, 90, 0, 135
3.创建第一个程序：
a.转到程序 ➔
b.将程序重命名为 "Left Weld"（左侧焊接），首先在站树中选择该程序，然后按 F2 或右键单击并选择重命名。
c.将以下目标添加为线性指令，首先在站树中选择目标，然后选择程序➔
4.以同样的方式创建第二个名为 "Right Weld "的程序，这次添加以下目标：end target、left point 2、left point 2、end target。
请注意，这两个示例程序并未包含控制焊枪启停的指令。在实际应用中，必须添加这些命令。
要使用运动规划器连接任意两个程序，请使用以下流程：
1.使用上一节（链接目标）所述的两种方法中的任何一种选择这两个程序。
2.右键点击任一程序并选择Link selected programs。如果打开了collision-free motion planner面板，同样可以通过点击Link selected targets/programs实现。
此时会自动生成一个名为"主程序"的新程序，运行第一个程序，进行无碰撞移动，然后运行第二个程序。这个主程序可以像其他程序一样进行修改和重命名。
在地图上添加新目标
任何新目标都可以被添加到PRM路线图中，而无需重新生成整个地图。这意味着只有当工作空间中添加了新物体或现有物体被移动时，才需要完全重新生成路线图。
当新目标被添加到路线图中时，PRM算法会尝试通过一组新边将其与路线图中已有的若干点进行连接。可为新目标设置不同于初始路线图构建时所选边数的默认连接边数。
可以通过以下流程设置新目标的最大边数：
1.打开collision-free motion planner面板，通过实用程序➔ Collision-free motion planner➔ Create collision-free map，或者点击
2.在空格：New sample edges，输入边的数量。默认值为 5。
在路线图中添加新目标有两种方法：
1.选择工作站中的目标。鼠标点在最上面的目标，然后按住Shift 键，最后点在最后一个目标，这样可以同时选择多个目标。按住Ctrl 键也可以完成同样效果。然后单击Collision-free motion planner面板中的 "Add selected targets"。
2.只需使用前几节（目标点链接、程序链接）所述的链接选定目标或链接选定程序（Link selected targets/programs）的相同方法即可。任何尚未出现在路线图中的目标都会被自动添加。
一些提示
PRM运动规划器虽易用，但遵循以下技巧可显著提升编程效率：
Tip：首先使用较小的参数创建第一个无碰撞地图。然后，待布局确定后再优化。
构建阶段可能需要很长时间。在编程的早期阶段，当机器人单元的布局不断变化时，这会变得很麻烦。每次在工作区添加一个物体或移动一个物体，都需要重新生成整个路线图。
为了减少等待生成路线图的时间，一开始最好使用较小的参数。
例如，你通常可以在 10-15 秒内生成一张无碰撞地图，推荐初始参数是：
1.样本数量10.
2.每个样本的边缘5.
3.机器人步长（度）：4.0.
这样做不会产生最有效的无碰撞运动，但可以更快地改变机器人单元的设计。
当确定了机器人单元中所有物体的位置后，就可以生成更大的地图，最终精细参数（布局定型后）（例如，默认参数为 100、25、4.0）。
最后，在生成机器人程序之前，不妨先生成一个更大的路线图（例如参数为 500、50、2.0）。这将需要很长时间才能生成，但却能产生最有效的运动。
Tip：使用合理的关节上下限来约束机器人的工作空间。
设置机器人关节限位（如前面关节限制约束所述）有双重好处。首先，在某些情况下，它可以加快构建阶段。其次，它能确保路线图中包含对机器人程序有用的位置。这一重要步骤很容易被遗忘。
正确定义碰撞地图
当两个物体发生碰撞时，会触发碰撞检测。你可以在碰撞地图设置中指定每个运动物体之间的关联关系。减少交互次数（绿色勾选标记）将加快碰撞检测速度。
Tip：遵循快速碰撞检测准则（如增大关节步长、限制关节范围、简化3D模型）
计算无碰撞路径所需的时间主要取决于检查碰撞所需的时间。因此，你应遵循碰撞检测部分所述的例子，以加快碰撞检测速度。其中，你可以增加用于碰撞检测的机器人步长、约束关节限制或简化三维几何体，以加快碰撞检测的速度。
Tip：为3D模型添加安全偏移量，模拟实际中的机械公差。
术语 "避免碰撞 "意味着运动规划在任何情况下都会避免碰撞。这在仿真环境中当然是正确的。然而，在现实世界中，如果机器人离物体太近，仍有可能与物体发生碰撞。这通常是因为仿真机器人与实际机器人之间存在细微差别。
这种碰撞的常见情况是，机器人在远离任务时 "夹 "到物体边缘。通常可以通过在程序中加入 "偏移量 "来避免这种情况。有关有效使用偏移量的更多信息，请参阅本博客文章。
Tip：利用机器人高灵巧工作区。
并非机器人工作区的所有区域都是相同的。在工作区的某些区域，机器人的 "可达性 "要高于其他区域。在可达性高的区域，机器人可以从多个方向访问点。在可达性低的区域，机器人只能从一个或两个方向访问点。
有时，运动规划器会找不到工作区中两个目标之间的路径。通常情况下，只需增加路线图中的样本数量即可解决这一问题，但并非总是如此。
如果运动规划器持续无法连接目标，请确保任务位于机器人工作区中可达性最强的区域内。打开机器人面板（右键单击工作站树中的机器人并选择选项），然后在 "工作空间 "部分选择 "显示当前工具"，即可查看机器人的工作空间。
