基于機(jī)器人的碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃探究

蔡榮盛 陳麗嬌

【摘 要】機(jī)器人碼垛的主要目的是為了使貨物的抓取、搬運(yùn)及放置都能夠更加快速、高效和準(zhǔn)確。與其他類型的機(jī)器人控制工作相同，通過(guò)對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)指令要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行控制，最終達(dá)到不同施工工藝的施工要求。文章針對(duì)基于機(jī)器人的碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃展開(kāi)簡(jiǎn)要的探討。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人;碼垛運(yùn)動(dòng);運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

【中圖分類號(hào)】TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）06-0099-02

機(jī)器人碼垛在作業(yè)過(guò)程中具有一定的重載高速的特點(diǎn)，由此可以看出在對(duì)機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程中，至少要滿足以下兩點(diǎn)需求：一是在重載運(yùn)行的狀況下，必須確保加速度不會(huì)出現(xiàn)突變的狀況，從而有效地避免機(jī)器人的本體受到?jīng)_擊;二是必須使平均速度得到提升，以有效地提升機(jī)器人碼垛效率。

1 機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃現(xiàn)狀

機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的主要目的是確保機(jī)器人能夠?qū)ω浳镞M(jìn)行準(zhǔn)確的抓取及放置，嚴(yán)格根據(jù)用戶的實(shí)際要求位置進(jìn)行貨物的放置，同時(shí)也要確保整個(gè)碼垛運(yùn)動(dòng)的過(guò)程具有一定的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及高效性。因此，一般來(lái)說(shuō)進(jìn)行機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的過(guò)程主要可以分為速度規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩個(gè)方面，主要目的是促使碼垛機(jī)器人的路徑擬合精度及運(yùn)行效率都能夠得到有效的提升。

軌跡規(guī)劃主要是通過(guò)采用一定的計(jì)算方法，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的起止點(diǎn)及中間點(diǎn)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最終得出一條與時(shí)間位置對(duì)應(yīng)的軌跡，其主要包括笛卡爾空間軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)空間軌跡計(jì)劃。

1.1 笛卡爾空間軌跡規(guī)劃

笛卡爾空間軌跡規(guī)劃主要是指機(jī)器人的末端執(zhí)行器在笛卡爾空間中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生的軌跡與要求的軌跡相擬合。相關(guān)人員想要確保末端執(zhí)行器能夠通過(guò)要求的軌跡，就必須將軌跡表達(dá)式進(jìn)行明確。在對(duì)圓弧及直線等進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程中，軌跡規(guī)劃的過(guò)程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，最常見(jiàn)的方法是速度曲線法和等步長(zhǎng)法。然而針對(duì)部分無(wú)法直接給出表達(dá)式的軌跡，在對(duì)其進(jìn)行軌跡規(guī)劃的過(guò)程中，通常都會(huì)利用樣條曲線法、加減速曲線法及等步長(zhǎng)法來(lái)完成軌跡的規(guī)劃工作。

采用等步長(zhǎng)法進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，規(guī)劃過(guò)程相對(duì)較為簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中效率較為低下，可能會(huì)對(duì)機(jī)器人的本體產(chǎn)生沖擊;而用加減速曲線法進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，最終的規(guī)劃效果與加減速曲線類型的性能之間有著直接的聯(lián)系;采用樣條曲線法進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，運(yùn)行效率較高，并且能夠確保與目標(biāo)軌跡高度擬合，同時(shí)速度及加速度也不會(huì)出現(xiàn)突變狀況，但是實(shí)際的規(guī)劃過(guò)程相對(duì)較為復(fù)雜。

1.2 關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃

關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃一般來(lái)說(shuō)就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的問(wèn)題，也就是說(shuō)，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的過(guò)程都能夠呈現(xiàn)出一條光滑函數(shù)，而這一函數(shù)也能夠作為制約點(diǎn)，對(duì)在不同位置上對(duì)應(yīng)的軸位置進(jìn)行有效的約束。關(guān)節(jié)空間軌跡主要是由多軸聯(lián)動(dòng)組合而成的，并且關(guān)節(jié)空間軌跡的形成與每一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的軌跡之間都有著十分緊密的聯(lián)系。規(guī)劃函數(shù)的不同對(duì)最終形成的關(guān)節(jié)空間軌跡有著直接的影響。一般來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行關(guān)節(jié)空間軌跡計(jì)劃的過(guò)程中，最常見(jiàn)的方法是加減速曲線法、拋物線過(guò)渡法及多項(xiàng)式法。

在對(duì)機(jī)器人碼垛關(guān)節(jié)空間軌跡進(jìn)行規(guī)劃的過(guò)程中，采用多項(xiàng)式法可能會(huì)存在平均速度不高及多次加減速的狀況，這就無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)的軌跡規(guī)劃目標(biāo);而使用拋物線過(guò)渡法進(jìn)行規(guī)劃時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生加速度突變的狀況，引起機(jī)器人本體抖動(dòng);采用加減速曲線法進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，最終的規(guī)劃效果與加減速曲線類型性能之間有著直接的聯(lián)系。

2 機(jī)器人的碼垛標(biāo)準(zhǔn)流程及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃需求

2.1 機(jī)器人碼垛標(biāo)準(zhǔn)流程

機(jī)器人的碼垛標(biāo)準(zhǔn)流程圖呈現(xiàn)出“門(mén)”字形，如圖1所示。根據(jù)圖1可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)碼垛循環(huán)中主要可以分為8個(gè)步驟。

第一，從抓取準(zhǔn)備點(diǎn)進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，最終運(yùn)動(dòng)至抓取點(diǎn)，這時(shí)間抓手打開(kāi)，并且要進(jìn)行延時(shí)，確保抓手能夠準(zhǔn)確地抓取到貨物。

第二，當(dāng)抓手完成了貨物的抓取之后，再由抓取點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)笛卡爾空間，進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，最終到抓取上方點(diǎn)。

第三，再由抓取上方點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)最終停止在避障點(diǎn)位置。

第四，由避障點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)至放置上方點(diǎn)，與此同時(shí)開(kāi)始做貨物放置的準(zhǔn)備工作。

第五，從放置上方點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，至放置點(diǎn)位置時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也要打開(kāi)抓手，將貨物進(jìn)行放置并在放置貨物的過(guò)程中進(jìn)行延時(shí)，確保能夠準(zhǔn)確地放置貨物。

第六，放置貨物之后，從放置點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至放置上方點(diǎn)之后停止，并將抓手閉合。

第七，從放置上放點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至避障點(diǎn)后停止。

第八，從避障點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至抓取準(zhǔn)備點(diǎn)時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，靜止等待進(jìn)入下一次循環(huán)。

根據(jù)碼垛標(biāo)準(zhǔn)流程中的8個(gè)步驟可以看出機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)主要具有以下2個(gè)特征：首先，機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)循環(huán)的整個(gè)循環(huán)過(guò)程主要是笛卡爾空間直線插補(bǔ)及關(guān)節(jié)插補(bǔ);其次，機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在較多的中間點(diǎn)，在每一個(gè)循環(huán)過(guò)程都有7個(gè)中間點(diǎn)存在。

最終得出機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃需求如下：首先是關(guān)節(jié)插補(bǔ)。關(guān)節(jié)插補(bǔ)主要是在機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)的循環(huán)過(guò)程中將中間點(diǎn)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)得到實(shí)現(xiàn)。其次是直線插補(bǔ)。直線插補(bǔ)主要是指在進(jìn)行抓取及放置的過(guò)程中，與Z軸平行的笛卡爾空間直線軌跡插補(bǔ)。

除此之外，對(duì)于機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)的速度也要進(jìn)行規(guī)劃，使循環(huán)平均速度能夠得到有效提升，降低機(jī)器人本體受到的沖擊，滿足機(jī)器人碼垛的穩(wěn)定性及高效性的要求。

2.2 機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃需求

對(duì)工業(yè)機(jī)器人碼垛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的過(guò)程中，最主要的要求體現(xiàn)在4個(gè)方面，分別是軌跡擬合、重復(fù)精度、速度及穩(wěn)定性。機(jī)器人碼垛在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，在對(duì)物料進(jìn)行搬運(yùn)、放置過(guò)程中，機(jī)器人的末端執(zhí)行器會(huì)受到一定的負(fù)載。因此，與其他應(yīng)用場(chǎng)景中的需求相比較，機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃指標(biāo)有一定的不同之處。

首先，重復(fù)定位精度。重復(fù)定位精度對(duì)于大部分工業(yè)機(jī)器人而言，都是一項(xiàng)重要的控制指標(biāo)，尤其是在對(duì)重復(fù)精度的要求相對(duì)較高的工業(yè)產(chǎn)業(yè)中。在我國(guó)目前的發(fā)展?fàn)顩r下，機(jī)器人的重復(fù)定位精度水平保持在0.1～1 mm;而在國(guó)外，機(jī)器人的重復(fù)定位精度一般保持在0.01～0.1 mm的水平。在機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人將貨物進(jìn)行搬運(yùn)并放置在指定的位置上的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于機(jī)器人的重復(fù)定位精度要求，國(guó)內(nèi)國(guó)外的機(jī)器人都能夠符合標(biāo)準(zhǔn)。

其次，速度。機(jī)器人碼垛對(duì)于速度的要求較高，需要在最短的時(shí)間內(nèi)將貨物碼放完成，因此，在對(duì)機(jī)器人碼垛進(jìn)行控制的過(guò)程中，一項(xiàng)重要的控制指標(biāo)就是速度。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人能夠用最快的速度完成碼垛運(yùn)動(dòng)，就意味著工作效率能夠得到有效提升。

再次，軌跡擬合度。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人在進(jìn)行碼垛運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要可以劃分為兩種，分別是笛卡爾空間直線運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)與焊接對(duì)機(jī)器人的軌跡擬合度的要求有所不同，機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)僅需要正確完成笛卡爾直線運(yùn)動(dòng)，并且不會(huì)由于直線軌跡擬合度較差而導(dǎo)致出現(xiàn)碰撞的現(xiàn)象即可。

最后，穩(wěn)定性。當(dāng)機(jī)器人在碼垛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行之后，機(jī)器人能夠保證繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并且不出現(xiàn)抖動(dòng)震顫的狀況，這就是機(jī)器人碼垛的穩(wěn)定性方面的規(guī)劃需求。通常情況下，碼垛機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中都是在負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)，并且在碼垛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中負(fù)載貨物的重量要對(duì)較高，因此，必須確保碼垛機(jī)器人在保證速度最快的狀況下，其本體不會(huì)受到損害。

對(duì)機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行確定時(shí)要結(jié)合機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃需求：第一，在機(jī)器人碼垛過(guò)程中，必須確保機(jī)器人的碼垛運(yùn)動(dòng)不會(huì)出現(xiàn)速度突變及加速度突變狀況，最大限度地降低機(jī)器人碼垛過(guò)程中主體受到?jīng)_擊的現(xiàn)象發(fā)生的概率;第二，相關(guān)人員必須確保機(jī)器人的碼垛運(yùn)動(dòng)符合指定速度的要求，從而達(dá)到用戶的實(shí)際需求目標(biāo)，同時(shí)也要使機(jī)器人的碼垛平均運(yùn)動(dòng)速度得到提升，使碼垛時(shí)間得到優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

近幾年我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人得到了良好的發(fā)展，并且在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有了廣泛的應(yīng)用，機(jī)器人碼垛就屬于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一項(xiàng)重要應(yīng)用。但是在現(xiàn)階段，機(jī)器人碼垛過(guò)程中依然存在一定的問(wèn)題，相關(guān)人員必須針對(duì)機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，為工業(yè)機(jī)器人更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)提供保障。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]方健，宋宇，朱茂飛，等.基于時(shí)間最優(yōu)的碼垛機(jī)器人軌跡規(guī)劃[J].控制工程，2018（1）：93-99.

[3]張玲.基于三次樣條曲線的碼垛機(jī)器人平滑軌跡規(guī)劃方法[J].高技術(shù)通訊，2018（1）：78-82.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]