Eine Trajektorie beschreibt den Weg, den ein Roboter durch Raum und Zeit zurücklegt. Sie ist mehr als nur ein Pfad. Ein Pfad ist lediglich eine geometrische Darstellung. Eine Trajektorie hingegen umfasst Geschwindigkeit, Beschleunigung und Zeit. Sie legt fest, wo sich der Roboter in jedem Moment befindet, nicht nur den Weg, den er zurücklegt.

Die Trajektoriengenerierung ist ein zentrales Problem in der Robotik. Der Controller benötigt eine stetige Referenzkurve, der er folgen kann. Eine sprunghafte Positionsänderung würde eine unendliche Beschleunigung erfordern. Reale Motoren können dies nicht leisten. Daher erzeugt der Trajektoriengenerator eine stetige Kurve, häufig ein Polynom oder einen Spline, die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsgrenzen berücksichtigt. Der Roboter folgt dieser Trajektorie so genau wie möglich.

Trajektorienmerkmale

• Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile.
• Ruck: die Änderungsrate der Beschleunigung, minimiert für eine gleichmäßige Bewegung.
• Zeitoptimal: schnellstmöglich innerhalb bestimmter Grenzen.
• Glatt: Minimiert Verschleiß und Vibrationen.
• Kollisionsfrei: weicht Hindernissen auf dem Weg aus.

Eine gute Trajektorie ist gleichmäßig und effizient. Eine schlechte ist ruckartig und langsam. Der Ruck, die Ableitung der Beschleunigung, ist besonders wichtig. Ein hoher Ruck verursacht Vibrationen, Verschleiß und Lärm. Trajektoriengeneratoren minimieren den Ruck durch die Verwendung von S-Kurven-Profilen anstelle von Trapezprofilen. Die S-Kurve erhöht die Beschleunigung stufenlos und erzeugt so eine gleichmäßigere Bewegung. Trajektorien werden im Gelenkraum oder im kartesischen Raum berechnet. Gelenkraumtrajektorien sind einfacher zu berechnen und vermeiden Singularitäten. Kartesische Raumtrajektorien sind intuitiver, können aber komplexe inverse Kinematik erfordern. Die Wahl hängt von der Aufgabe ab. Ein Schweißroboter folgt einer kartesischen Trajektorie entlang einer Naht. Ein Pick-and-Place-Roboter verwendet möglicherweise eine Gelenkraumtrajektorie, um höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Die Trajektorie ist der Bewegungsplan des Roboters.