“1+X”工業機器人應用編程搬運碼垛典型工作任務創新設計與實現

摘要：“職教20條”下，“1+X”工業機器人應用編程職業技能等級證書要求對職業技能等級標準內容與課程進行高度融合。本文以“漢諾塔”游戲為例，用華數Ⅱ型HSR-JR605工業機器人通過算法實現示教點位及搬運碼垛路徑的優化，在游戲中學會解決搬運碼垛典型工作任務的方法，提高應用編程技巧，為“1+X”工業機器人應用編程“課證融合”的開發提供思路，為工業機器人應用編程職業技能等級證書考取奠定基礎。

關鍵詞：1+X;應用編程;典型任務

0? 引言

工業機器人應用編程職業技能等級標準（2019年9月試行）中明確指出，典型工作任務包括搬運、碼垛、裝配、涂膠、焊接、拋光、噴涂等，而搬運和碼垛則是“1+X”工業機器人應用編程初、中、高級職業技能等級考核中最常見的典型任務。

“職教20條”下，“1+X”工業機器人應用編程職業技能等級證書要求對職業技能等級標準內容與課程進行高度融合[1]。以工業機器人應用編程典型工作任務為出發點，在已有人才培養方案和課程體系基礎上，結合企業實際生產領域進行典型工作任務的創新設計，對課程進行二次開發，更好地服務于工業機器人應用編程技能等級證書試點工作[2]。

1? 搬運碼垛典型任務創新設計

1.1 四階“漢諾塔”搬運碼垛臺設計

四階“漢諾塔”搬運碼垛臺設計如圖1所示[3]，起始柱A、輔助柱B和目標柱C三根矩形柱在同一水平線上，間距為130mm，長寬高為20mm×15mm×200mm，起始柱A從下往上有四個矩形塊，矩形塊1（長寬高120mm×120mm×40mm）、矩形塊2（長寬高100mm×100mm×40mm）、矩形塊3（長寬高80mm×80mm×40mm）和矩形塊4（長寬高60mm×60mm×40mm），每個矩形塊中心有25mm×20mm×40mm的矩形孔，方便矩形柱穿過。

游戲目標：把起始柱A上的矩形塊全部移到目標柱C上，并仍保持原有順序疊好。操作規則：每次只能移動一個矩形塊，并且在移動過程中三根柱上都始終保持大矩形塊在下，小矩形塊在上，操作過程中矩形塊可以置于A、B、C任一柱上。

1.2 搬運碼垛路徑設計

搬運碼垛路徑設計包括示教點位的選取和運動路徑選取。

1.2.1 示教點位選取

如圖2所示，搬運碼垛時起始柱A、輔助柱B和目標柱C的過渡點分別為PgdA、PgdB、PgdC，位于矩形柱正上方;矩形塊在起始柱A上的4個抓取/放置點位置分別為PA1、PA2、PA3、PA4;矩形塊在輔助柱B上的4個抓取/放置點位置分別為PB1、PB2、PB3、PB4;矩形塊在目標柱C上的4個抓取/放置點位置分別為PC1、PC2、PC3、PC4。

分析可知，如果需要每個點進行示教則需要示教14個點位：PgdA、PgdB、PgdC、PA1、PA2、PA3、PA4、PB2、PB3、PB4、PC1、PC2、PC3、PC4。

1.2.2 運動路徑選取

“漢諾塔”游戲中搬運碼垛矩形塊最少次數算法為：當矩形塊個數為n時，搬運碼垛的最少次數應等于2^n-1，如完成三階“漢諾塔”游戲至少需要搬運碼垛次數為7次，完成四階“漢諾塔”游戲至少需要搬運碼垛次數為15次，如圖2所示。

1.3 搬運碼垛優化算法設計

以華數Ⅱ型HSR-JR605工業機器人為例，進行搬運碼垛優化算法設計與實現。

1.3.1 算法實現點位坐標獲取

如圖1所示的世界坐標系，以PA4示教的坐標位置為參照，則PA3、PA2、PA1的坐標位置分別為PA4在z軸正向偏移40mm、80mm、120mm。同理得，PB3、PB2、PB1的坐標位置分別為PB4在z軸正向偏移40mm、80mm、120mm，PC3、PC2、PC1的坐標位置分別為PC4在z軸正向偏移40mm、80mm、120mm。而PB4、PC4的坐標位置分別為PA4在y軸正向偏移130mm、260mm。過渡點PgdA、PgdB、PgdC的坐標位置分別為PA4、PB4、PC4在z軸正向的偏移（大于矩形柱高度200mm），如取250mm。由此可知，只需要示教一個點PA4，其余點通過預設和計算得知，大大減少了點位示教點的繁瑣過程，節約時間。

1.3.2 算法實現搬運碼垛路徑

如果對每個點位進行示教編程且一個動作一行指令，代碼行超過250行，點位示教和指令輸入會占用很長時間，嚴重影響效率。

如圖3所示，將每個運動過程路徑進行抽象，機器人控制氣爪從過渡點Pgd1出發將矩形柱M上的矩形塊從P1位置搬運到矩形柱N上的P2位置，再回到過渡點Pgd2，需要順序經過①～⑤五個路徑，n階“漢諾塔”游戲可以認為是2^n-1個抽象路徑，只是每一次的起始位置、目標位置以及過渡點不一樣。指令選取時，①②④⑤必須使用直線指令，如MOVES。

1.4 寄存器選取

示教點位PA4的位置存放在關節坐標寄存器LR[14]，其余點位通過計算得到。LR[10]～LR[13]分別存放PgdA、PA1～PA3坐標值;LR[20]～LR[24]分別存放PgdB、PB1～PB4坐標值;LR[30]～LR[34]分別存放PgdC、PC1～PC4坐標值。抽象路徑點位存放：LR[1]存放過渡點Pgd1坐標值，LR[2]存放P1坐標值，LR[3]存放過渡點Pgd2坐標值，LR[4]存放P2坐標值。

設整型數值寄存器IR[1]～IR[60]存放四階“漢諾塔”游戲搬運碼垛15步的每條路徑的點位坐標值位置索引（每條路徑4個點位，一共60個），按照先后順序分別為10、11、20、24、10、12、30、34、20、24、30、33、10、13、20、24、30、34、10、13、30、34、20、23、10、13、20、22、10、14、30、34、20、22、30、33、20、23、10、14、30、33、10、13、20、24、30、33、10、13、20、24、10、14、30、32、20、24、30、31，可提前設置。

1.5 編程實現

通過搬運碼垛算法優化設計，代碼行不超過60行，大大縮短了示教編程時間。

PROGRAM

'“漢諾塔”搬運碼垛主程序

DIM I AS LONG = 0

WITH ROBOT

ATTACH ROBOT

ATTACH EXT_AXES

'點位計算

LR[10]=LR[11]+#{0，0，250，0，0，0}

LR[12]=LR[11]+#{0，0，40，0，0，0}

LR[13]=LR[11]+#{0，0，80，0，0，0}

LR[14]=LR[11]+#{0，0，120，0，0，0}

LR[20]=LR[11]+#{0，130，250，0，0，0}

LR[21]=LR[11]+#{0，130，0，0，0，0}

LR[22]=LR[11]+#{0，130，40，0，0，0}

LR[23]=LR[11]+#{0，130，80，0，0，0}

LR[24]=LR[11]+#{0，130，120，0，0，0}

LR[30]=LR[11]+#{0，260，250，0，0，0}

LR[31]=LR[11]+#{0，260，0，0，0，0}

LR[32]=LR[11]+#{0，260，40，0，0，0}

LR[33]=LR[11]+#{0，260，80，0，0，0}

LR[34]=LR[11]+#{0，260，120，0，0，0}

'四階“漢諾塔”搬運碼垛處理

WHILE I<15

LR[1]=LR[IR[I*4+1]]

LR[2]=LR[IR[I*4+2]]

LR[3]=LR[IR[I*4+3]]

LR[4]=LR[IR[I*4+4]]

'每次調用一個Step

CALL HNT

I=I+1

END WHILE

DETACH ROBOT

DETACH EXT_AXES

END WITH

END PROGRAM

PUBLIC SUB HNT

'“漢諾塔”搬運碼垛抽象路徑子程序

MOVES ROBOT LR[1]

MOVES ROBOT LR[2]

'氣爪張開

DELAY ROBOT 100

D_OUT[18] = ON

DELAY ROBOT 100

MOVES ROBOT LR[1]

MOVES ROBOT LR[3]

MOVES ROBOT LR[4]

'氣爪關閉

DELAY ROBOT 100

D_OUT[18] = OFF

DELAY ROBOT 100

MOVES ROBOT LR[3]

END SUB

2? 結束語

本文對“1+X”工業機器人應用編程搬運碼垛典型工作任務進行創新，設計四階“漢諾塔”搬運碼垛臺，用華數Ⅱ型HSR-JR605工業機器人通過算法實現示教點位及搬運碼垛路徑的優化，在游戲中學會解決搬運碼垛典型工作任務的方法，提高應用編程技巧，為“1+X”工業機器人應用編程“課證融合”的開發提供思路，為工業機器人應用編程職業技能等級證書考取奠定基礎。

參考文獻：

[1]國務院.國務院關于印發國家職業教育改革實施方案的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2019-02/13/content_

5365341.htm， 2019-02-13.

[2]李愿.華數Ⅱ型機器人關鍵指令在碼垛編程設計中的應用[J].內燃機與配件，2019（11）：225-227.

[3]肖紅德.漢諾塔問題遞歸算法與非遞歸算法比較[J].軟件導刊，2018（08）：118-120.