a piecewise acceleration-optimal and smooth-jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfa piecewise...

10
A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory Planning Method for Robot Manipulator along a Predefined Path Regular Paper Yuan Chen 1,2 and Bing Li 1* 1 Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, China 2 School of Mechatronics Engineering, Shandong University at Weihai, China *Corresponding author E-mail: [email protected] Received 30 Apr 2011; Accepted 24 Aug 2011 Abstract This paper proposes a piecewise accelerationoptimal and smoothjerk trajectory planning method of robot manipulator. The optimal objective function is given by the weighted sum of two terms having opposite effects: the maximal acceleration and the minimal jerk. Some computing techniques are proposed to determine the optimal solution. These techniques take both the time intervals between two interpolation points and the control points of Bspline function as optimal variables, redefine the kinematic constraints as the constraints of optimal variables, and reformulate the objective function in matrix form. The feasibility of the optimal method is illustrated by simulation and experimental results with pan mechanism for cooking robot. Keywords Optimal trajectory planning, Cooking robot, Pan mechanism. 1. Introduction Optimal trajectory planning is an active research field in robot manipulator. Most researches about the optimal trajectory planning aim at minimizing the execution time [1, 2], energy consumed [3, 4], and jerk [5, 6], under different conditions of several geometric, kinematic and dynamic constraints. Robot manipulators with high acceleration are urgently demanded in advanced manufacture fields, such as packaging and assembly of microelectronic manufactures [7]. High acceleration means that robot manipulator completes pickandplace operation in the shortest possible cycle time. On the other hand, high acceleration also will generate nonsmooth jerk trajectories. High acceleration and nonsmooth jerk is one pair of sharp contradiction. In addition, different segments of the path in some engineering applications will have different purposes, for example, shaping machine requires a smooth trajectory at the stage of slow cutting stroke, while a high velocity at the stage of quick return. In order to increase the efficiency of robot manipulator, the path should be divided into different segments based on the task of robot manipulator. Little research has been conducted to a piecewise accelerationoptimal and smooth jerk trajectory planning method. www.intechweb.org www.intechopen.com Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193

Upload: lamngoc

Post on 21-Apr-2018

227 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory Planning Method for Robot Manipulator along a Predefined Path Regular Paper

Yuan Chen1,2 and Bing Li1*  1 Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School, China 2 School of Mechatronics Engineering, Shandong University at Weihai, China *Corresponding author E-mail: [email protected]  Received 30 Apr 2011; Accepted 24 Aug 2011

 Abstract  This  paper  proposes  a  piecewise  acceleration‐optimal  and  smooth‐jerk  trajectory  planning method  of robot  manipulator.  The  optimal  objective  function  is given by the weighted sum of two terms having opposite effects:  the maximal  acceleration  and  the minimal  jerk. Some  computing  techniques  are  proposed  to  determine the optimal solution. These techniques take both the time intervals  between  two  interpolation  points  and  the control points  of B‐spline  function  as  optimal  variables, redefine  the  kinematic  constraints  as  the  constraints  of optimal variables, and reformulate the objective function in matrix  form. The  feasibility of  the optimal method  is illustrated  by  simulation  and  experimental  results with pan mechanism for cooking robot.  Keywords  Optimal  trajectory  planning,  Cooking  robot, Pan mechanism. 

 1. Introduction   Optimal trajectory planning is an active research field in robot manipulator. Most  researches  about  the  optimal 

trajectory  planning  aim  at  minimizing  the  execution time [1, 2], energy consumed [3, 4], and jerk [5, 6], under different conditions of several geometric, kinematic and dynamic  constraints.  Robot  manipulators  with  high acceleration  are  urgently  demanded  in  advanced manufacture  fields, such as packaging and assembly of micro‐electronic  manufactures  [7].  High  acceleration means that robot manipulator completes pick‐and‐place operation  in  the  shortest  possible  cycle  time.  On  the other  hand,  high  acceleration  also  will  generate  non‐smooth  jerk  trajectories.  High  acceleration  and  non‐smooth  jerk  is  one  pair  of  sharp  contradiction.  In addition,  different  segments  of  the  path  in  some engineering  applications will  have  different  purposes, for  example,  shaping  machine  requires  a  smooth trajectory  at  the  stage  of  slow  cutting  stroke, while  a high  velocity  at  the  stage  of  quick  return.  In  order  to increase  the  efficiency  of  robot manipulator,  the  path should be divided  into different segments based on  the task  of  robot  manipulator.    Little  research  has  been conducted  to  a  piecewise  acceleration‐optimal  and smooth jerk trajectory planning method. 

Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193184 www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193

Page 2: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

The  trajectory  planning  not  only  deals  with  the determination  of  the  path,  but  also  provides  the velocity/acceleration  profiles  (or  the  time  history  of  the robot’s joints) [8]. Another less explored aspect of optimal trajectory  planning  is  the  determination  of  the velocity/acceleration  profiles  for  the  predefined  path. Under  such  condition  of  the  unchangeable  path,  the trajectory  planner  can  only  determine  the velocity/acceleration  values  in  the  predefined  path  in order  to  improve  the performance of  robot manipulator. Such  an  aspect  of  optimal  trajectory  planning  can  be much more worthwhile in many robotic applications. For example,  in machining  applications,  the  velocity  of  the workpiece in the predefined path may have influences on the processing quality of the components.  Several  researchers  have  investigated  the  optimal trajectory planning methods  in  recent years. Boryga  etc. [9] put forward an optimal trajectory planning mode with higher‐degree  polynomials.  The  linear  acceleration profiles  of  end‐effectors  were  planned  through  the polynomials of degree  9,  7  and  5,  and  the minimal  jerk was  taken  as  an  objective  function.  Gallina  etc.  [10] proposed  a  new  technique  for  the  optimal  trajectory planning  of  a  mobile  robot.  The  trajectory  was represented by a parametric curve consisting  in sums of harmonics.  Gasparetto  etc.  [11]  proposed  an  optimal trajectory planning method, where the objective function containing  a  term  proportional  to  the  integral  of  the squared  jerk and a second  term proportional  to  the  total execution  time  is  considered. The proposed method did not  consider  the path  in  segments  based  on  the  task  of robot manipulator.  In  order  to  generate  a  smooth  jerk, Olabi  etc.  [12]  presented  a  federate  optimal  trajectory planning method based on a parametric  interpolation of the geometry  in  the operational space. Van Dijk etc.  [13] developed  a  method  for  determining  time‐optimal trajectories  for  industrial  manipulators  along  a predefined  path,  which  accounts  for  actuator  velocity, acceleration  and  jerk  limits.  Constantinescu  etc.  [14] discussed  a  method  for  determining  smooth,  time‐optimal  and  path‐constrained  trajectory.  The  desired smoothness of the trajectory is imposed through limits on the  actuator  jerks.  The  time‐optimal  control  objective  is cast  as  an optimization problem by using  cubic  splines. Verscheure  etc.  [15]  focused  on  time‐optimal  and  time‐energy  optimal  trajectory  planning.  Lou  etc.  [16] investigated  and  implemented  three  optimal  trajectory planning methods based on dynamics  limits.  Saravanan etc.  [17]  applied  a  new  general  methodology  to  the optimal  trajectory  planning  of  industrial  robot manipulator, which took the control points of the B‐spline as  the  optimal  variables  and  a  multi‐criterion  cost function as the objective function. However, they ignored the  importance  of  the  time  interval  between  two interpolation  points.  Vaz  etc.  [18]  formulated  robot 

trajectory  planning  as  a  semi‐infinite  programming problem  and  took  the  control  points  of  B‐spline  as  the optimal variables.  With  a  general  literature  survey,  it  come  out  that although more  emphases  have  been  laid  on  the multi‐objective  function  in  the  whole  path,  the  piecewise optimal method having multi‐objective function  is rarely applied  in  these  researches.  Another  less  explored  but important objective  function  is  the  acceleration  and  jerk values in the predefined path. In addition, some of them only regard the control points of B‐spline function as the optimal  variables.  Accordingly,  the  main  goal  of  this paper  is to propose a piecewise acceleration‐optimal and smooth‐jerk  trajectory  planning  method,  which  takes both  the  time  interval  between  two  interpolation points and the control points of B‐spline function as the optimal variables.  The remainder of the paper is organized in the following manner. In Section 2, the mathematical formulation of the optimal  trajectory  planning  problem  is  developed.  In Section  3,  solution  techniques  for  the  formulated optimization  problem  are  proposed  to  determine  the optimal  solution.  Section  4  includes  an  illustrative example  that  demonstrates  the  utility  of  the  optimal problem  formulation  and  the  feasible  of  applying  these solution  techniques  for determining  solutions. A  few  of cuisine  experiments  are  carried  out  to  verify  the effectiveness  of  the  optimal  results.  Some  concluding remarks are included in the final section.  2. Optimal problem formulation  High  acceleration  and  non‐smooth  is  one  pair  of  sharp contradiction  in  some  engineering  applications  [7].  For purpose  of  solving  the  contradiction,  trajectory  will  be divided into the “acceleration/deceleration” and “smooth” segments based on  the  task of robot manipulator. During the  “acceleration/deceleration”  segment,  the  maximum acceleration will  be  considered  as  the  objective  function. During  the  “smooth”  segment,  the  expression  of  the smooth  jerk will be added to the objective function. In the end,  the  objective  function  is  given  by  the  sum  of  two terms having opposite effects: the first term is proportional to the reciprocal of the integral of the squared acceleration during the “acceleration/deceleration” segment; the second term  is  proportional  to  the  integral  of  the  squared  jerk during the “smooth” segment. Reducing the first term will lead  to  non‐smooth  jerk  trajectory,  while  reducing  the second  term will  lead  to  a  faster  trajectory. The  trade‐off between  the  two  terms  can  be  performed  by  suitably adjusting  the weights  of  the  two  terms:  a  larger weight related to the jerk term will lead to smoother, while a larger weight  related  to  the acceleration  term will  lead  to  faster trajectory. 

Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193185 www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 3: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

On  the  basis  of  the  above  analysis,  the  piecewise acceleration‐optimal  and  smooth  trajectory  planning problem can be formulated as follows:  

n

mb

a

t

tt

t

dtdttsdu

dtdttds

uL2

3

3

2

2

211min       (1) 

 Subject to the following constraints:  

mjwithqtststs

tsts

NiwithQJA

QJV

QOAts

QOVts

jj

f

f

ii

ii

,2,1

,,1

20

2

10

1

max

max

max2

max1

            (2) 

 

where u  is  the weight of  the  first  term;  1 2,s t s t  are the velocity and acceleration profiles of the trajectory; ,i i  are the angular velocity and acceleration of the  ith  

joint;  N  is  the number of  the  joints;  max max,QOV QOA  are 

the  velocity  and  acceleration  bound  vectors; 

max max,i iQJV QJA  are  the  velocity  and  acceleration  bound 

values of the  ith  joint;  ba tt ,  are the  initial and final time 

values  during  the  “acceleration/  deceleration”  segment; 

nm tt ,  are  the  initial  and  final  time  values  during  the 

“smooth”  segment;  ftt ,0  are  the  initial  and  final  time 

values of trajectory; m  is the number of the  interpolation 

points; and  jq  are the interpolation points. 

 3. Solution techniques for optimal  trajectory planning problem  3.1 Variables determination and constraints redefinition  The  problem  of  computing  a  trajectory  through multipoint  can  be  solved  by  means  of  polynomial functions,  orthogonal  and  trigonometric  polynomials function,  B‐spline  functions,  and  son  on.  Although  B‐spline function requires more information such as degree of  the curve and a knot vector, and  in general  involve a more  complex  theory  than  other  functions,  it  possess many  advantages  that  offset  this  shortcoming.  Firstly, some  continuous  derivatives  and  integral  operators  can be  computed  with  relative  ease  from  its  spline coefficients. Further B‐spline  function  can provide more control  flexibility  than  other  interpolation  functions.  In order  to  compute  continuous  derivatives  up  to  four orders  in  this paper,  the  trajectories will be  represented by B‐spline function. For top‐notch optimal performance, both  the control points of B‐spline  function and  the  time interval  between  two  interpolation points  are  chosen  as the optimal variables. Thus, the optimal variables can be defined as follows:  

mn pphhX ,,,, 010 ,                            (3) 

 where  ih  are  time  intervals  between  any  adjacent  two 

interpolation  points;  jp  are  the  control  points  of  B‐

spline  function;  m  and  n  are  the  numbers  of  the interpolation points and control points, respectively.  Definition 1.  [19] The  first and  second derivatives of B‐spline  function  ts  can  be  obtained  by  differentiating 

the basis functions  p

jB t .  

 

2

0

21

1112

2221

2

1

0

11

11

1

1m

j

pjjj

jpjjj

jpjjpj

m

j

pjjj

jpj

tBpptt

ppptt

ptt

pts

tBpptt

pts                     (4) 

 

where jp  is  the  control  point;  1p

jB t  are  the  basis 

function of degree  1p .  In order  to  implement easily  the optimal  formulation  in computer, constraints inequalities (2) should be redefined 

as  constraints  of  optimal  variables  of B‐spline  function. Given  the  velocity  and  acceleration  bound  vectors 

maxQOV  and  maxQOA , the first and second formulations in 

inequalities (2) can be expressed as follows: 

Yuan Chen and Bing Li: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory Planning Method for Robot Manipulator along a Predefined Path

186www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 4: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

max22112,,02

2

max111

1,,02

1

max

max

QOApKpKpKs

QOVpptt

ps

jjjjjjmj

jjjpj

mj

                                         (5) 

 where   

1121

1

jpjjpj

j ttttppK ;  

112221

1111

jpjjpjjpjj tttttt

ppK ; 

2221

21

jpjjpjj tttt

ppK . 

 Given  the  velocity  and  acceleration  bound  vectors 

maxQJV  and  maxQJA  of  the  joints, we  also  can  formulate 

the  following constraint  inequalities about  the  third and forth formulations in inequalities (2).  

max1

111

1,,1

max1

,,0

max

max

QJAJpptt

p

QJVJp

jjjpj

mj

jmj

      (6) 

 where  J  is the Jacobian matrix of robot manipulator.  The  fifth  and  sixth  formulations  in  constraints inequalities  (2)  describe  the  periodic  conditions  on  the velocity and acceleration. Given  the  interpolation points 

1, ,iq i m  and  the  control  point’s  vector 

0 1 1, , , , T

m mP p p p p

, the last three formulations  in 

constraints inequalities (2) can be obtained as follows:  

miwithqtBp

pKpKpKpKpKpKpKpKpKpK

m

jii

pjj

mmmmmm

mmmm

,,1

0

0

0

21

212

222

221

210

20

11

111

110

10

                                (7) 

 where   

11

10

1tt

Kp

11

11

1tt

Kp

;  

mpmm tt

K

11

1 ; 

mpmm tt

K

11 ; 

1121

20

1tttt

ppKpp

;  

112221

21

111tttttt

ppKppp

2221

22

1tttt

ppKpp

;  

111

22

1

mpmmpmm tttt

ppK ; 

111

21

111

mpmmpmmpmm tttttt

ppK ;  

mpmmpm

m ttttppK

1

2 1. 

 Since  any  time  intervals  between  a  pair  of  consecutive via‐points can not be run at infinite acceleration and jerk, another type of constraint about any time interval  ih  can be expressed as follows:  

max

31

3

2,,0

max

21

2

1,,0

max

max

QOJtsts

h

QOA

tstsh

ii

nii

ii

nii

            (8) 

 3.2 Reformulation of optimal objective function  For  the  convenience  of  the  programming,  the  objective function  in  Eq.  (1)  defined  in  terms  of  B‐spline  can  be formulated as follows: 

Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193187 www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 5: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

BDPDPtruu

ACPCPtrL TT

TT 611min    (9) 

 being   

TmpppP 110 ,,, ,  

 

1,,1,0,0

22 mjdutBdiagA nu

u j  

 

2,2,1

2,13,13,2

3,23,4

2,42,3

2,31,31,2

1,20,2

2004

0040

04002

mmmm

mmmmmm

mm

ttttt

ttttttt

tt

B

 

 

mmpmmp

pp

pp

tp

tp

tp

tp

tp

tp

C

,,

2,22,2

1,11,1

00

0

00

00

 

 

3,22,21,2

3,12,11,1

3,02,01,0

000

0000

mmm ccc

cccccc

D

 where   

1,42,41,

6

kkkk

k ttc ,  

 

2,51,42,42,

116

kkkkkkk tttc , 

 

2,52,43,

6

kkkk

k ttc ,  jiji ttt , ,  

 and  BDPDPtrACPCPtr TTTT ,  are  the  trace  of  the 

matrix  ACPCP TT  and  BDPDP TT , respectively.  

3.3 Optimization methods  The  optimal  trajectory  planning  problem  of  a  robot manipulator  is  a  constrained  nonlinear  optimization problem.  Some  constraint  equations  have  no  explicitly analytical  expressions  with  respect  to  the  optimal variables. Furthermore, there may many  local minima  in the  feasible  search  region.  Some  conventional optimization  algorithms,  e.g.,  the  sequential  quadratic programming  (SQP) method,  are known  to  converge  to local minima.  Compared  with  SQP,  genetic  algorithms (GA)  can  avoid  the  problems  associated  with  local optima [20]. However, it should be known that the ability of local searching in GA is weak so that it would lead to convergence slow. It would be a good choice to design a hybrid GA by combining standard GA with other robust and  fast  algorithms.  For  strong  ability  of  complex function  approximation  and  remarkable  speed  in simulation,  ANN  will  be  chosen  to  be  combined  with standard GA  to  generate  a  hybrid GA‐ANN  algorithm, where ANN  is  utilized  to  represent  expressions  of  the solutions, and the objective function  is solved using GA. The combination of ANN and GA has been widely used in the field of materials science [21], chemical engineering [22,  23],  robot manipulators  [24],  and  heat  transfer  [25, 26].  In  this  section,  three  conventional and evolutionary optimization  methods  are  utilized  to  solve  the minimization  problem  formulated  in  Eq.  (9),  which  is subjected  some  kinematic  constraints  in  Eqs.(5),  (6),  (7) and (8).  3.3.1 Conventional optimal technique  The  conventional  iterative  optimal  techniques,  such  as sequential  quadratic  programming  (SQP)  have  been widely  applied  to  solve  nonlinearly  constrained optimization problems. As a  form of  the gradient‐based optimal  technique,  SQP  performs  well  in  local  search problems.  But  it  can  not  assure  that  the  calculated solution values are the global optimal value because of its relatively  weak  global  search  ability.  Moreover,  the optimal  performance  of  SQP  greatly  depends  on  the choice of the initialization values. Improper initial values will lead to local optima or even infeasible solutions. The fmincon  function  in  MATLAB’S  OPTIMIZATION TOOLBOX,  which  uses  the  SQP  method  to  perform nonlinear  constrained  optimization  and  support  linear and nonlinear constraints, will be utilized to generate the optimal value of the optimal trajectory planning problem in this paper.   3.3.2 Genetic algorithm (GA)  Genetic algorithms, as a powerful and broadly applicable search  method,  follow  the  Darwinian  evolutionary principle of  ‘‘survival‐of‐the‐  fittest,’’ where strong  traits   

Yuan Chen and Bing Li: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory Planning Method for Robot Manipulator along a Predefined Path

188www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 6: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

Genetic parameters  Values Population size  20 

Uniform crossover (%)  80 Jump mutation rate (%)  1 Creep mutation (%)  2 

Generation  500 

Table 1. Parameters of genetic algorithm utilized in this paper  are  retained  in  the  population  and  weak  traits  are eliminated.  Thus,  genetic  algorithms  can  avoid  the problems  associated with  local  optima.  There  are  three operations  in  genetic  algorithms,  such  as  selection, crossover  and  mutation.  The  parameters  of  genetic algorithms utilized in this paper are shown in Tab.1.  3.3.3 Optimal method for hybrid GA‐ANN algorithm  ANN  model  in  the  hybrid  GA‐ANN  algorithm  is designed and  implemented using software developed  in MATLAB 6.5 package. The back‐propagation algorithm is used  to minimize  the  instantaneous error  in a particular training  pattern.  Additionally,  the  input  parameters  of the model are the optimal variables in this paper, and the output of the ANN is the optimal objective function. The ideal  ANN  model  is  considered  to  be  obtained  with single hidden  layer and 15 neurons  in  it. The  tansig and logsig  function  are  employed  as  the  activation  functions between  input‐hidden  layer  and  hidden‐output  layer, respectively.   4. An illustrative example  One  example  is  provided  to  demonstrate  the effectiveness  of  the  piecewise  acceleration‐optimal  and smooth trajectory planning method. Chinese culinary arts have  a  long history  and  are  famous  all over  the world. Chinese dishes appeal  to  the  senses  through  their color, aroma,  taste,  and  appearance.  However,  its  cooking process  is  extraordinarily  complicated  [27,  28].  For purpose of replacing  the chef’s cooking process motions by using the intelligent cooking equipment, we proposed a cooking robot including a pan mechanism, as shown in Fig.1  [29,  30].  It  consists of  a moving platform  and  a  2‐DOF pan mechanism. The 2‐DOF pan mechanism, whose kinematics model  is  shown  in  Fig.1  (b),  is  fixed  to  the moving platform. The moving platform can move using a group of ball  screws and a pair of  linear guides. The 2‐DOF pan mechanism  is  composed of nine bars  (1) ~  (8) and  (9). The motion of  the pan can be obtained  through the  two  input  angles  1  and  2 ,  respectively.  A  fixed 

global  reference  frame  :G OXY  is  located  at  the  point 

2A .  The  most  significant  featured  motion  of  the  cooking process  in Chinese cuisine  is  the motion of  turning over 

the  cuisine  being  cooked  [30].  It  can  cause  cuisines  to continuously  change  position  relative  to  pan,  such  as “ascent�descent”.  Nevertheless,  these  position  changes need  to  be  accomplished  through  the  variable acceleration  motion  of  pan  mechanism,  which  will  be determined  and  optimized  by  the  optimal  trajectory planning  method.  Furthermore,  the  reduction  of vibration,  stemmed  from  the  variable  acceleration motion, will also be considered  in  the optimal  trajectory planning method. Hence,  it  is  of  utmost  importance  to determine  the  acceleration  and  generate  a  smooth trajectory  through  the  optimal  trajectory  planning method.  

 

  

Figure 1. Cooking robot and pan mechanism: (a) cooking robot; (b) kinematics model of pan mechanism 

Interpolation points   1  2  3  4  5  6 Values(mm/s)

241.46 687.2 146.24  394.16  256.63 241.46

Kinematics constraints Velocity (mm/s) 

Acceleration (mm/s2) 

Jerk (mm/s3) 

800  8400  200000  

Table  2.  Values  of  the  interpolation  points  and  kinematics constraints  

(b) 

(a) 

Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193189 www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 7: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

4.1 Prototype and parameters  To  facilitate  the  analysis,  the  dimensions  of  pan mechanism  are  given  as  follows:  A1B1=0.11m, A2B2=0.019m,  A3B3=0.08m,  B1C1=0.14m,  B2C2=0.096m, B3C3=0.23m,  C2B1=0.08m,  C3C1=0.07m. As  shown  in  Fig.2 (a), its prototype was developed, and its path is shown in Fig.2  (b).  The  “ascent”  segment  is defined  as  the  curve from A  to  B, while  the  “descent”  segment  is  the  curve from B  to A. The values of  the  interpolation points and kinematic constraints are listed in Table 2.    

 Figure 2. Prototype and path:  (a) prototype of pan mechanism; (b) predefined path of pan mechanism  4.2 Numerical optimal results  The optimal  result histories of  the  fmincon  function, GA method and hybrid GA‐ANN algorithm are shown in Fig. 3. The  chief  findings  from Fig.3 are as  follows:  (1)  there are  the  same  convergence  pattern  in  both  GA method and  hybrid GA‐ANN  algorithm,  i.e.,  both  are  in  lower region. And the convergence velocity of hybrid GA‐ANN  is  higher  than  other  two  methods.  (2)  In  terms  of objective  function  value,  both  GA  method  and  hybrid GA‐ANN algorithm provide the lowest optimal values in comparison  with  the  fmincon  function.  Due  to  an unsuitable  initial  value,  the  fmincon  function  may converge  to  local minima.  (3) Considerable  reduction  in computational  time  is achieved  for  the hybrid GA‐ANN algorithm  in comparison with other  two methods. From 

the above analysis results, a conclusion can be drawn that hybrid GA‐ANN algorithm is a superior method in terms of computational effort and solution accuracy.  Then, the optimal results of acceleration using the hybrid GA‐ANN  algorithm  are  shown  in  Fig.4.  The  labels  “*” represent  the  interpolation  points.  During  the  “ascent” segment,  the  acceleration  after  optimization  is  higher than the initial acceleration, which is helpful to turn over the cuisine being cooked. During the “descent” segment, the  total  time  is  shortened  through optimization, which will prevent  the  cuisine being  cooked  from  adhering  to the pan. We can draw a conclusion from Fig.4 that during the “ascent” segment,  the acceleration after optimization is  more  favorable  for  the  motion  of  turning  over  the cuisine being cooked, and during the “descent” segment, the  less  time  after optimization will prevent  the  cuisine being cooked from adhering to the pan.  Jerk values with the optimal objective function including jerk term and excluding jerk term are shown in Fig.5. We can  intuitively  observe  from  Fig.5  that  the  jerk  values with  the  optimal  objective  function  including  jerk  term are  less  and  smoother  than  those  with  the  optimal objective  function  excluding  jerk  term.  Smoother  jerk values will reduce the vibration of the cooking robot.  

 Figure 3. Optimal result histories using three optimization methods  

 Figure 4. Optimal results of acceleration 

(a)

(b) 

Yuan Chen and Bing Li: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory Planning Method for Robot Manipulator along a Predefined Path

190www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 8: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

 Figure  5.  Jerk  values  with  the  optimal  objective  function including jerk term and excluding jerk term  In  the  end, we  can  draw  a  conclusion  that  during  the “ascent”  segment,  the  acceleration  after  optimization  is more favorable for the motion of turning over the cuisine being cooked, and during the “descent” segment, the less time  after  optimization  will  prevent  the  cuisine  being cooked from adhering to the pan.  4.3 Experimental results  In order to testify the effectiveness of the optimal results, a  few  cuisine experiments, as  shown  in Fig.6 have been conducted with  fried  green  beans. Cuisines  in  Fig.6  (b) are  turned over higher  than  those  in Fig.6  (a). Thus,  the optimal results will improve the quality of the cooking.  

 Figure  6.  Dish‐cooking  experiments  with  fried  green  beans:  (a) the non‐optimal velocity; (b) the optimal velocity  

 (a) 

 (b) 

Figure 7. Test system of pan mechanism: (a) schematic diagram of test system; (b) experimental system  

 Figure 8. Acceleration signal obtained by the test system  As  shown  in  Fig.7,  a  test  system  for  measuring  the acceleration of pan mechanism is composed of acceleration sensor,  charge  amplifier,  signal  adjust  circuit  and  data acquisition card, and so on. From Fig.7  (a),  it  is observed that the acceleration sensor is installed at the center of pan. Fig.8  shows  the  acceleration  signal  of  pan  mechanism obtained by the test system. Although there existing some measuring  errors  caused  by  installation  clearance,  the 

(a)

(b) 

Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193191 www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 9: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

following  common  characteristics between  the  theoretical values in Fig.4 and the experimental values in Fig.8 can be obtained:  (1)  there existing a maximal acceleration during the  “ascent”  segment,  which  results  in  the  motion  of turning over the cuisine being cooked. (2) The acceleration values during the “ascent” segment after optimization are greater than the initial acceleration.  The  comparison  results  between  the  theoretical  values and  experimental  values  are  shown  in  Tab.3.  Both  the theoretical  values  and  experimental  values  after optimization are superior to those initial values. And, the optimization  efficiency  is  improved  by  approximately 40%.  Hence,  we  can  draw  a  conclusion  from  the comparison  results  that  these  optimization  results  will provide a powerful support to the motion of turning over the  cuisine  being  cooked,  however,  the  error  rates between  the  theoretical  values  and  experimental  values are still very great.   

 

The first term Theoretical Value (×10‐11) 

Experimental Value (×10‐11) 

Error ratio 

Non‐Optimization 

9.9988  7.9831  2.02% 

After Optimization 

6.5302  6.1150  6.36% 

Optimization Efficiency 

34.69%  23.40%   

 

The second term Theoretical Value (×10‐11) 

Experimental Value (×10‐11) 

Error ratio 

Non‐Optimization 

8.0527  7.6223  5.34% 

After Optimization 

4.5847  4.4900  2.07% 

Optimization Efficiency 

43.07%  41.09%   

Table 2. Comparison results between the theoretical values and experimental values  5. Conclusion  A  piecewise  acceleration‐optimal  and  smooth‐jerk trajectory planning problem for robot manipulator along a predefined  path  was  defined  as  an  optimal  B‐spline function  that  takes both  the  time  interval and  the control points as the optimal variables, and results in minimal jerk value  and maximal  acceleration  value.  Some  computing techniques  were  proposed  to  determine  the  optimal solution.  These  techniques  transformed  the  kinematics constraints  into  the  constraints  of  the  optimal  variables, and reformulated the objective function as matrix form.  

A  few of cuisine experiments were carried out  to verify the  effectiveness  and  feasibility  of  the  optimal  results. Future  works  will  include  utilizing  the  techniques developed here as the basis for solving other application, so  as  to  validate  the  generality  of  the  algorithm. Substantial  further  work  will  be  paid  to  the  control scheme for the robotic manipulator and further adjust the optimal parameters in a certain field.  6. Acknowledgments  The work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60875060,51175105).  7. References  [1]  D.  Constantinescu,  E.A.  Croft,  “Smooth  and  time‐

optimal  trajectory  planning  for  industrial manipulators  along  specified  paths,  ”  Journal  of Robotic Systems, vol. 17(5), pp.233‐249, 2000. 

[2] V. Pateloup, E. Duc and P. Ray, “Corner Optimization for pocket machining,” International Journal of Machine Tools  and Manufacture,  vol.  44(12‐13),  pp.  1343‐1353, 2004. 

[3]  S.F.P.  Saramago,  V.  Steffen,  “Optimal  trajectory planning  of  robot  manipulators  in  the  presence  of moving  obstacles,  ” Mechanism  and Machine  Theory, vol.35, pp.1079‐1094,2000. 

[4]  H.J.  Kim,  B.K.  Kim,  “Minimum‐energy  trajectory planning  on  a  tangent  for  battery‐powered  three‐wheeled  omni‐directional  mobile  robots,  ”  in : International  Conference  on  Control  Automation  and Systems (ICCAS), Gyeonggi‐do, 2010, pp.1701‐ 1706. 

[5] P.f. Huang, Y.s. Xu, and B. Liang, “Global Minimum‐Jerk  Trajectory  Planning  of  Space  Manipulator,” International  Journal  of  Control,  Automation,  and Systems, vol. 4 (4), pp. 405‐413, 2006. 

[6] A. Gasparetto, V. Zanotto, “A technique for time‐jerk optimal planning of  robot  trajectories,  ” Robotics and Computer‐Integrated Manufacturing, vol. 24 (3), pp.415‐426, 2008. 

[7]  V.  Nabat,  S.  Krut,  O.  Company,  P.  Poignet  and  F. Pierrot, “On the Design of a Fast Parallel Robot Based on Its Dynamic Model,” Experimental Robotics, vol. 39, pp. 409‐419, 2008. 

[8]  U.R.  Raza,  C.  Stéphane,  C.  Damien,  W.  Philippe, “Multiobjective  Path  Placement  Optimization  of Parallel  Kinematics  Machines  Based  on  Energy Consumption,  Shaking  Forces  and  Maximum Actuators  Torques: Application  to  the Orthoglide,  ” Mechanism  and  Machine  Theory,  vol.45(8),  pp.  1125‐1141, 2010. 

[9]  M.  Boryga,  A.  Graboś,  “Planning  of  manipulator motion  trajectory  with  higher‐degree  polynomials,” Mechanism and machine  theory, vol.  44, pp.  1400‐1419, 2009. 

Yuan Chen and Bing Li: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory Planning Method for Robot Manipulator along a Predefined Path

192www.intechweb.orgwww.intechopen.com

Page 10: A Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk ...cdn.intechweb.org/pdfs/21741.pdfA Piecewise Acceleration-Optimal and Smooth-Jerk Trajectory ... for example, shaping machine requires

[10]  P.  Gallina  and  A.  Gasparetto,  “A  technique  to analytically formulate and to solve the 2‐Dimensional constrained trajectory planning problem for a mobile robot,”  Journal  of  Intelligent  and  Robotic  System,  vol. 27(3), pp. 237‐262, 2000. 

[11]  A.Gasparetto  and  V.Zanotto,  “A  new  method  for smooth  trajectory  planning  of  robot  manipulators,” Mechanism  and  machine  theory,  vol.  42,  pp.  455‐471, 2007. 

[12]  A.Olabi,  R.  Béarée,  O.  Gibaru  and  M.  Damak, “Feedrate planning for machining with industrial six‐axis  robots,” Control Engineering Practice, vol.  18, pp. 471‐482, 2010. 

[13] N.J.M. van Dijk, N.van de Wouw, H. Nijmeijer, and W.C.M.  Pancras,  “Path‐constrained motion  planning for  robotics  based  on  kinematics  constraints,”  in : Proceedings  of  the  ASME  International  Design Engineering  Technical  Conferences  &  Computers  and Information in Engineering Conference, Las Vegas,  2007, pp. 1071‐1080. 

[14] D. Constantinescu and E.A.Croft, “Smooth and time‐optimal  trajectory  planning  for  industrial manipulators along specified paths,” Journal of robotic systems, vol. 17(5), pp. 233‐249, 2006. 

[15]  D.  Verscheure,  B.  Demeulenaere,  J.  Swevers,  J. Schutter,  M.  Diehl,  “Time‐Energy  Optimal  Path Tracking  for  Bobots:  a  Numerically  Efficient Optimization  Approach,”  in :  Proceeding  of  the  10th International  Workshop  on  Advanced  Motion  Control, Trento, 2008, pp.727‐732. 

[16]  Y.J.  Lou,  F.  Feng  and  M.Y.  Wang,  “Trajectory planning  and  control  of  parallel manipulators,”    in: IEEE  International  Conference  on  Control  and Automation, Christchurch, pp. 1013‐1018, 2009. 

[17]  R.  Saravanan,  S.  Ramabalan  and  C.  Balamurugan, “Evolutionary  optimal  trajectory  planning  for industrial  robot  with  payload  constraints,” International  Journal  Advanced  Manufacturing Technology, vol. 38, pp. 1213‐1226, 2008. 

[18] A.F. Vaz, E.M.G.P. Fernandes, M.S.F. Gomes, “Robot trajectory planning with semi‐infinite programming,” European  Journal  of  Operational  Research,  vol.  153(3), pp. 607‐617, 2004. 

[19] D.Simon,  “Data  smoothing  and  interpolation  using eighth  order  algebraic  splines,”  IEEE Transactions  on Signal Processing, vol. 52(4), pp. 1136‐1144, 2004. 

[20] Holland JH, Adaptation in natural and artificial systems. Ann  Arbor, MI:  The  University  of Michigan  Press, 1975. 

[21]Y.  Sun, W.D.  Zeng,  X. Ma,  B.  Xu,  X.B.  Liang,  J.W. Zhang,  “A  hybrid  approach  for  processing parameters  optimization  of  Ti‐22Al‐25Nb  alloy during  hot  deformation  using  artificial  neural network and genetic algorithm, ” Intermetallics, vol. 19, pp. 1014‐1019, 2011. 

 

[22] K. Huang, X.L. Zhan, F.Q. Chen, D.W. Lu, “Catalyst design  for  methane  oxidative  coupling  by  using arti&cial  neural  network  andhybridgenetic algorithm,” Chemical Engineering Science,  vol.  58,  pp. 81‐87, 2003. 

[23] A.L. Ahmad, I.A. Azid, A.R. Yusof, K.N. Seetharamu, “Emission  control  in  palm  oil  mills  using  artificial neural network and genetic algorithm,” Computers and Chemical Engineering, vol. 28, pp. 2709‐2715, 2004. 

[24] Z. Gao, D. Zhang, Y.J. Ge, “Design optimization of a spatial  six  degree‐of‐freedom  parallel  manipulator based on artificial  intelligence approaches, ” Robotics and  Computer‐Integrated Manufacturing  ,  vol.  26,  pp. 180‐189, 2010. 

[25] H. Peng, X. Ling, “Optimal design approach  for  the plate‐fin  heat  exchangers  using  neural  networks cooperated with genetic algorithms, ” Applied Thermal Engineering, vol. 28, pp.642‐650,2008. 

[26] P. K. Kadiyala, H. Chattopadhyay, “Optimal location of  three  heat  sources  on  the wall  of  a  square  cavity using  genetic  algorithms  integrated  with  artificial neural  networks,  ”  International  Communications  in Heat and Mass Transfer, vol. 38, pp. 620‐624, 2011. 

[27]  J.H.  Tang,  X.Y.  Zhao,  X.Y.  Liu.,  “On  the  Current Situation and Prospect of the Study of AIC,” Culinary Science Journal of Yangzhou University (in Chinese), vol. 2, pp. 24‐26, 2007.  

[28]  B.Hou,  “The  trends  of  industrialized  development for Chinese cuisine and its principle,” Culinary Science Journal of Yang Zhou University(in Chinese), vol. 20, pp. 7‐10, 2003. 

[29]  B.  Li,  Y.  Chen,  Z.  Deng  and W.  Xu,  “Conceptual analysis  and  design  of  the  2T1R  mechanism  for  a cooking robot, ” Robotcs and Autonomous Systems, vol. 59, pp. 74‐83, 2011. 

[30] Y. Chen, B. Li, Z.Q. Deng, “Dynamic Modeling and Performance Analysis of a 3‐DOF Pan Mechanism for a Cooking Robot,” Mechanics Based Design of Structures and Machines, vol. 38(2), pp. 243‐260, 2010. 

  

Int J Adv Robotic Sy, 2011, Vol. 8, No. 4, 184-193193 www.intechweb.orgwww.intechopen.com