碼垛機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀與展望

摘要：如何能夠保證碼垛機(jī)器人快速、準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定地抓取、搬運(yùn)和放置貨物，是碼垛機(jī)器人的主要目的。軌跡規(guī)劃是完成碼垛作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。分析碼垛機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，提出碼垛運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃需求。介紹了機(jī)器人軌跡規(guī)劃的研究現(xiàn)狀，最后展望機(jī)器人軌跡規(guī)劃的發(fā)展趨勢(shì)。

Abstract： The purpose of palletizing robot is to quickly， accurately， efficiently and stably grasp， carry and place the goods. Trajectory planning is the key link of palletizing task. This paper analyzes the standard operation process of palletizing robot， and gives the planning requirements of palletizing trajectory. This paper introduces the research status of robot trajectory planning， and finally looks forward to the development trend of robot trajectory planning.

關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)器人;軌跡規(guī)劃;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

Key words： palletizing robot;trajectory planning;current situation;development trend

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）25-0227-02

0 ?引言

碼垛機(jī)器人具有作業(yè)高效、碼垛穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，解放工人繁重體力勞動(dòng)，已在各個(gè)行業(yè)的包裝物流線(xiàn)中發(fā)揮強(qiáng)大作用。碼垛機(jī)器人主要適應(yīng)對(duì)象為大批量、重復(fù)性強(qiáng)或是工作環(huán)境具有高溫、粉塵等條件惡劣情況。如何能夠保證碼垛機(jī)器人快速、準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定地抓取、搬運(yùn)和放置貨物，是碼垛機(jī)器人的主要目的。因此，弄清碼垛機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，對(duì)碼垛任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)軌跡規(guī)劃進(jìn)行分析總結(jié)對(duì)于實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人的主要目的很有必要。

1 ?碼垛機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程

碼垛機(jī)器人進(jìn)行碼垛的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程分為8個(gè)步驟。以袋料碼垛為例，選擇關(guān)節(jié)式（ 4 軸）碼垛機(jī)器人，末端執(zhí)行器為抓取式，采用在線(xiàn)示教方式為機(jī)器人輸入碼垛作業(yè)程序，以A垛Ⅰ碼垛為例展開(kāi)，如圖1所示。

碼垛軌跡中包含如圖所示的8個(gè)程序點(diǎn)。每個(gè)程序點(diǎn)的說(shuō)明如表1所示。

通過(guò)碼垛的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程可以看出，機(jī)器人碼垛運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃需求：

軌跡的插補(bǔ)方式主要有兩種：關(guān)節(jié)插補(bǔ)和笛卡爾空間下的直線(xiàn)插補(bǔ)。

軌跡中過(guò)渡點(diǎn)較多，每個(gè)碼垛循環(huán)有6個(gè)中間點(diǎn)。因此為了機(jī)器人能夠在碼垛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠提高速度增加工作效率，減小對(duì)機(jī)器人本體的沖擊，需要對(duì)整個(gè)過(guò)程的速度和軌跡進(jìn)行規(guī)劃。

2 ?碼垛機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。機(jī)器人軌跡規(guī)劃屬于機(jī)器人底層規(guī)劃范疇[1]，主要研究的是機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡生成方法。實(shí)用的碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)滿(mǎn)足平滑、平穩(wěn)、加減速效率高的要求[2]。

2.1 軌跡規(guī)劃

軌跡規(guī)劃根據(jù)坐標(biāo)空間的不同，分為關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃。

關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃從關(guān)節(jié)角度的數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)機(jī)器人的軌跡進(jìn)行描述，即關(guān)節(jié)角度變量直接確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃，計(jì)算量大大減少。而且由于關(guān)節(jié)空間與直角坐標(biāo)空間之間并不是連續(xù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而不會(huì)發(fā)生機(jī)構(gòu)的奇異性問(wèn)題。但關(guān)節(jié)空間和直角空間的幾何元素不是線(xiàn)性關(guān)系，所以當(dāng)關(guān)節(jié)變量呈線(xiàn)性變化時(shí)，在直角空間參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡并不形成直線(xiàn)。所以只有那些無(wú)路徑要求的作業(yè)，才能在關(guān)節(jié)空間直接進(jìn)行軌跡規(guī)劃[3]。

笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃方法概念直觀并且具有準(zhǔn)確的規(guī)劃路徑，但笛卡爾空間路徑規(guī)劃的結(jié)果最終需要轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，巨大的計(jì)算量，非常耗時(shí)，從而控制時(shí)間延長(zhǎng)，降低了控制效率[4]。然而對(duì)路徑、姿態(tài)兩者的實(shí)時(shí)變化規(guī)律具有嚴(yán)格要求的作業(yè)，如連續(xù)弧焊作業(yè)，它的軌跡規(guī)劃最好先在笛卡爾空間中進(jìn)行，接著再將規(guī)劃的軌跡細(xì)分成有限多個(gè)點(diǎn)，一點(diǎn)一點(diǎn)地對(duì)應(yīng)到關(guān)節(jié)空間，得到關(guān)節(jié)變量，最后進(jìn)行利用關(guān)節(jié)變量進(jìn)行控制。

兩種空間的軌跡規(guī)劃都需要滿(mǎn)足速度、加速度的連續(xù)，保證軌跡的連續(xù)、平滑。在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃，實(shí)時(shí)性更好，且不用考慮奇異問(wèn)題，實(shí)際中也多用此種規(guī)劃方法。

2.2 軌跡優(yōu)化

軌跡優(yōu)化是在軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善軌跡的性能。軌跡優(yōu)化的主要原因有兩個(gè)：一是由于作業(yè)任務(wù)限制，需要改善軌跡才能完成作業(yè);二是實(shí)際作業(yè)要求需要獲得更大的效益，為此需要提高效率、減少能力消耗、減少?zèng)_擊等。

碼垛機(jī)器人在進(jìn)行軌跡規(guī)劃和優(yōu)化需要重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)方面：①速度。衡量機(jī)器人的一個(gè)重要性能指標(biāo)是碼垛的工作效率。也就是說(shuō)要保證機(jī)器人如何讓機(jī)器人快速的實(shí)現(xiàn)來(lái)回運(yùn)動(dòng)，并且持續(xù)保持。②平穩(wěn)。在實(shí)際碼垛任務(wù)中，機(jī)器人需要頻繁快速啟停，勢(shì)必對(duì)機(jī)械本體造成沖擊和磨損。因此碼垛機(jī)器人在運(yùn)功規(guī)劃過(guò)程中一定要考慮穩(wěn)定性和平滑性需求。

3 ?機(jī)器人軌跡規(guī)劃發(fā)展趨勢(shì)

隨著制造業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的工況越加復(fù)雜，且對(duì)精度的要求越來(lái)越高，這對(duì)工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃提出了更高的要求。軌跡規(guī)劃需要向高精度、模塊化及智能化等方向發(fā)展。主要發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①結(jié)合實(shí)際工作模式，綜合各種因素實(shí)現(xiàn)高可靠性，達(dá)到全局最優(yōu)。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，需要綜合考慮機(jī)器人本體的重量、電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速、負(fù)載的特性等許多因素[5]。需要在考慮上述諸多因素的前提下，針對(duì)具體的工況進(jìn)行軌跡規(guī)劃，從而達(dá)到高可靠性。而不是像目前的研究，針對(duì)某一方面，在既定的條件下進(jìn)行特定優(yōu)化，需要考慮諸多因素實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃的全局最優(yōu)。

②將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人軌跡規(guī)劃系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）具有直觀、逼真、沉浸的三維視覺(jué)效果，在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃的時(shí)候，利用此特點(diǎn)可以提供一種易于設(shè)計(jì)和交互的模式。另外，坐標(biāo)變換、路徑規(guī)劃等領(lǐng)域是虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人學(xué)都需要關(guān)注的領(lǐng)域，二者在很多領(lǐng)域的技術(shù)相關(guān)性很大，這為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人中提供了充分的條件。

③軌跡規(guī)劃算法朝模塊化、集成化和智能化發(fā)展。軌跡規(guī)劃算法對(duì)于機(jī)器人使用者來(lái)說(shuō)非常難懂。這就要求軌跡規(guī)劃算法能夠模塊化，進(jìn)行軟件封裝，最后集成各種功能，形成一款易用性高和功能強(qiáng)大的軟件，為機(jī)器人跟著提供全配套智能解決方案。目前，這一趨勢(shì)在當(dāng)前主流品牌的工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品中早有體現(xiàn)，如ABB RobotStudio，F(xiàn)anuc的RoboGuide，KUKA.Sim pro等。這些軟件封裝機(jī)器人軌跡規(guī)劃及控制算法等功能模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)快速建模、高效編程和實(shí)時(shí)驗(yàn)證。這些產(chǎn)品提供簡(jiǎn)單易用的界面。使用者通過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)或者閱讀說(shuō)明書(shū)，就可以快速使用工業(yè)機(jī)器人完成任務(wù)，大大地降低了工業(yè)機(jī)器人的使用門(mén)檻。軟件使用者不需要了解軌跡規(guī)劃算法，也能獨(dú)立快速地完成軌跡設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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