基于機(jī)器人的碼垛運(yùn)動規(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，通過對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)指令要求的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行控制，最終達(dá)到不同施工工藝的施工要求。文章針對基于機(jī)器人的碼垛運(yùn)動規(guī)劃展開簡要的探討。

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

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

機(jī)器人碼垛在作業(yè)過程中具有一定的重載高速的特點(diǎn)，由此可以看出在對機(jī)器人碼垛運(yùn)動進(jìn)行規(guī)劃的過程中，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)動規(guī)劃現(xiàn)狀

機(jī)器人碼垛運(yùn)動規(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，同時也要確保整個碼垛運(yùn)動的過程具有一定的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及高效性。因此，一般來說進(jìn)行機(jī)器人碼垛運(yùn)動規(guī)劃的過程主要可以分為速度規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩個方面，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)劃主要是通過采用一定的計算方法，根據(jù)運(yùn)動的起止點(diǎn)及中間點(diǎn)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，最終得出一條與時間位置對應(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)動的過程中產(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)行器能夠通過要求的軌跡，就必須將軌跡表達(dá)式進(jìn)行明確。在對圓弧及直線等進(jìn)行規(guī)劃的過程中，軌跡規(guī)劃的過程相對較為簡單，最常見的方法是速度曲線法和等步長法。然而針對部分無法直接給出表達(dá)式的軌跡，在對其進(jìn)行軌跡規(guī)劃的過程中，通常都會利用樣條曲線法、加減速曲線法及等步長法來完成軌跡的規(guī)劃工作。

采用等步長法進(jìn)行規(guī)劃時，規(guī)劃過程相對較為簡單，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中效率較為低下，可能會對機(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，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，運(yùn)行效率較高，并且能夠確保與目標(biāo)軌跡高度擬合，同時速度及加速度也不會出現(xiàn)突變狀況，但是實(shí)際的規(guī)劃過程相對較為復(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)劃一般來說就是點(diǎn)對點(diǎn)的問題，也就是說，機(jī)器人在運(yùn)動過程中每一個軸運(yùn)動的過程都能夠呈現(xiàn)出一條光滑函數(shù)，而這一函數(shù)也能夠作為制約點(diǎn)，對在不同位置上對應(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)動組合而成的，并且關(guān)節(jié)空間軌跡的形成與每一個軸運(yùn)動的軌跡之間都有著十分緊密的聯(lián)系。規(guī)劃函數(shù)的不同對最終形成的關(guān)節(jié)空間軌跡有著直接的影響。一般來說，在進(jìn)行關(guān)節(jié)空間軌跡計劃的過程中，最常見的方法是加減速曲線法、拋物線過渡法及多項(xiàng)式法。

在對機(jī)器人碼垛關(guān)節(jié)空間軌跡進(jìn)行規(guī)劃的過程中，采用多項(xiàng)式法可能會存在平均速度不高及多次加減速的狀況，這就無法實(shí)現(xiàn)時間最優(yōu)的軌跡規(guī)劃目標(biāo);而使用拋物線過渡法進(jìn)行規(guī)劃時可能會產(chǎn)生加速度突變的狀況，引起機(jī)器人本體抖動;采用加減速曲線法進(jìn)行規(guī)劃時，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”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個步驟。

第一，從抓取準(zhǔn)備點(diǎn)進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動，最終運(yùn)動至抓取點(diǎn)，這時間抓手打開，并且要進(jìn)行延時，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)開始運(yùn)動，經(jīng)過笛卡爾空間，進(jìn)行直線運(yùn)動，最終到抓取上方點(diǎn)。

第三，再由抓取上方點(diǎn)開始運(yùn)動最終停止在避障點(diǎn)位置。

第四，由避障點(diǎn)開始運(yùn)動至放置上方點(diǎn)，與此同時開始做貨物放置的準(zhǔn)備工作。

第五，從放置上方點(diǎn)開始進(jìn)行運(yùn)動，至放置點(diǎn)位置時停止運(yùn)動，同時也要打開抓手，將貨物進(jìn)行放置并在放置貨物的過程中進(jìn)行延時，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)開始進(jìn)行運(yùn)動，運(yùn)動至放置上方點(diǎn)之后停止，并將抓手閉合。

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

第八，從避障點(diǎn)開始運(yùn)動，運(yùn)動至抓取準(zhǔn)備點(diǎn)時停止運(yùn)動，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個步驟可以看出機(jī)器人碼垛運(yùn)動主要具有以下2個特征：首先，機(jī)器人碼垛運(yùn)動循環(huán)的整個循環(huán)過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)動過程中存在較多的中間點(diǎn)，在每一個循環(huán)過程都有7個中間點(diǎn)存在。

最終得出機(jī)器人碼垛運(yùn)動的規(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)動的循環(huán)過程中將中間點(diǎn)的關(guān)節(jié)運(yùn)動插補(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，對于機(jī)器人碼垛運(yùn)動的速度也要進(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)動規(guī)劃需求

對工業(yè)機(jī)器人碼垛進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃的過程中，最主要的要求體現(xiàn)在4個方面，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，在對物料進(jìn)行搬運(yùn)、放置過程中，機(jī)器人的末端執(zhí)行器會受到一定的負(fù)載。因此，與其他應(yīng)用場景中的需求相比較，機(jī)器人碼垛運(yùn)動的規(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)，尤其是在對重復(fù)精度的要求相對較高的工業(yè)產(chǎn)業(yè)中。在我國目前的發(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)動過程中，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，對于機(jī)器人的重復(fù)定位精度要求，國內(nèi)國外的機(jī)器人都能夠符合標(biāo)準(zhǔn)。

其次，速度。機(jī)器人碼垛對于速度的要求較高，需要在最短的時間內(nèi)將貨物碼放完成，因此，在對機(jī)器人碼垛進(jìn)行控制的過程中，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，就意味著工作效率能夠得到有效提升。

再次，軌跡擬合度。一般來說，工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器人在進(jìn)行碼垛運(yùn)動時，其運(yùn)動軌跡主要可以劃分為兩種，分別是笛卡爾空間直線運(yùn)動和關(guān)節(jié)空間運(yùn)動。機(jī)器人碼垛運(yùn)動與焊接對機(jī)器人的軌跡擬合度的要求有所不同，機(jī)器人碼垛運(yùn)動僅需要正確完成笛卡爾直線運(yùn)動，并且不會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)動過程中，經(jīng)過了長時間的運(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)行過程中都是在負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行高速運(yùn)動，并且在碼垛運(yùn)動過程中負(fù)載貨物的重量要對較高，因此，必須確保碼垛機(jī)器人在保證速度最快的狀況下，其本體不會受到損害。

對機(jī)器人碼垛運(yùn)動規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行確定時要結(jié)合機(jī)器人碼垛運(yùn)動規(guī)劃需求：第一，在機(jī)器人碼垛過程中，必須確保機(jī)器人的碼垛運(yùn)動不會出現(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)，同時也要使機(jī)器人的碼垛平均運(yùn)動速度得到提升，使碼垛時間得到優(yōu)化。

3 結(jié)語

近幾年我國的工業(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)器人碼垛過程中依然存在一定的問題，相關(guān)人員必須針對機(jī)器人碼垛運(yùn)動規(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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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]