“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程搬運(yùn)碼垛典型工作任務(wù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：“職教20條”下，“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)要求對(duì)職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與課程進(jìn)行高度融合。本文以“漢諾塔”游戲?yàn)槔?，用華數(shù)Ⅱ型HSR-JR605工業(yè)機(jī)器人通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)示教點(diǎn)位及搬運(yùn)碼垛路徑的優(yōu)化，在游戲中學(xué)會(huì)解決搬運(yùn)碼垛典型工作任務(wù)的方法，提高應(yīng)用編程技巧，為“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程“課證融合”的開(kāi)發(fā)提供思路，為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)考取奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：1+X;應(yīng)用編程;典型任務(wù)

0? 引言

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（2019年9月試行）中明確指出，典型工作任務(wù)包括搬運(yùn)、碼垛、裝配、涂膠、焊接、拋光、噴涂等，而搬運(yùn)和碼垛則是“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程初、中、高級(jí)職業(yè)技能等級(jí)考核中最常見(jiàn)的典型任務(wù)。

“職教20條”下，“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)要求對(duì)職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容與課程進(jìn)行高度融合[1]。以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程典型工作任務(wù)為出發(fā)點(diǎn)，在已有人才培養(yǎng)方案和課程體系基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域進(jìn)行典型工作任務(wù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對(duì)課程進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，更好地服務(wù)于工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程技能等級(jí)證書(shū)試點(diǎn)工作[2]。

1? 搬運(yùn)碼垛典型任務(wù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 四階“漢諾塔”搬運(yùn)碼垛臺(tái)設(shè)計(jì)

四階“漢諾塔”搬運(yùn)碼垛臺(tái)設(shè)計(jì)如圖1所示[3]，起始柱A、輔助柱B和目標(biāo)柱C三根矩形柱在同一水平線上，間距為130mm，長(zhǎng)寬高為20mm×15mm×200mm，起始柱A從下往上有四個(gè)矩形塊，矩形塊1（長(zhǎng)寬高120mm×120mm×40mm）、矩形塊2（長(zhǎng)寬高100mm×100mm×40mm）、矩形塊3（長(zhǎng)寬高80mm×80mm×40mm）和矩形塊4（長(zhǎng)寬高60mm×60mm×40mm），每個(gè)矩形塊中心有25mm×20mm×40mm的矩形孔，方便矩形柱穿過(guò)。

游戲目標(biāo)：把起始柱A上的矩形塊全部移到目標(biāo)柱C上，并仍保持原有順序疊好。操作規(guī)則：每次只能移動(dòng)一個(gè)矩形塊，并且在移動(dòng)過(guò)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(guò)程中矩形塊可以置于A、B、C任一柱上。

1.2 搬運(yùn)碼垛路徑設(shè)計(jì)

搬運(yùn)碼垛路徑設(shè)計(jì)包括示教點(diǎn)位的選取和運(yùn)動(dòng)路徑選取。

1.2.1 示教點(diǎn)位選取

如圖2所示，搬運(yùn)碼垛時(shí)起始柱A、輔助柱B和目標(biāo)柱C的過(guò)渡點(diǎn)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(gè)抓取/放置點(diǎn)位置分別為PA1、PA2、PA3、PA4;矩形塊在輔助柱B上的4個(gè)抓取/放置點(diǎn)位置分別為PB1、PB2、PB3、PB4;矩形塊在目標(biāo)柱C上的4個(gè)抓取/放置點(diǎn)位置分別為PC1、PC2、PC3、PC4。

分析可知，如果需要每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行示教則需要示教14個(gè)點(diǎn)位：PgdA、PgdB、PgdC、PA1、PA2、PA3、PA4、PB2、PB3、PB4、PC1、PC2、PC3、PC4。

1.2.2 運(yùn)動(dòng)路徑選取

“漢諾塔”游戲中搬運(yùn)碼垛矩形塊最少次數(shù)算法為：當(dāng)矩形塊個(gè)數(shù)為n時(shí)，搬運(yùn)碼垛的最少次數(shù)應(yīng)等于2^n-1，如完成三階“漢諾塔”游戲至少需要搬運(yùn)碼垛次數(shù)為7次，完成四階“漢諾塔”游戲至少需要搬運(yùn)碼垛次數(shù)為15次，如圖2所示。

1.3 搬運(yùn)碼垛優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

以華數(shù)Ⅱ型HSR-JR605工業(yè)機(jī)器人為例，進(jìn)行搬運(yùn)碼垛優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位坐標(biāo)獲取

如圖1所示的世界坐標(biāo)系，以PA4示教的坐標(biāo)位置為參照，則PA3、PA2、PA1的坐標(biāo)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(biāo)位置分別為PB4在z軸正向偏移40mm、80mm、120mm，PC3、PC2、PC1的坐標(biāo)位置分別為PC4在z軸正向偏移40mm、80mm、120mm。而PB4、PC4的坐標(biāo)位置分別為PA4在y軸正向偏移130mm、260mm。過(guò)渡點(diǎn)PgdA、PgdB、PgdC的坐標(biāo)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(gè)點(diǎn)PA4，其余點(diǎn)通過(guò)預(yù)設(shè)和計(jì)算得知，大大減少了點(diǎn)位示教點(diǎn)的繁瑣過(guò)程，節(jié)約時(shí)間。

1.3.2 算法實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)碼垛路徑

如果對(duì)每個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行示教編程且一個(gè)動(dòng)作一行指令，代碼行超過(guò)250行，點(diǎn)位示教和指令輸入會(huì)占用很長(zhǎng)時(shí)間，嚴(yán)重影響效率。

如圖3所示，將每個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程路徑進(jìn)行抽象，機(jī)器人控制氣爪從過(guò)渡點(diǎn)Pgd1出發(fā)將矩形柱M上的矩形塊從P1位置搬運(yùn)到矩形柱N上的P2位置，再回到過(guò)渡點(diǎn)Pgd2，需要順序經(jīng)過(guò)①～⑤五個(gè)路徑，n階“漢諾塔”游戲可以認(rèn)為是2^n-1個(gè)抽象路徑，只是每一次的起始位置、目標(biāo)位置以及過(guò)渡點(diǎn)不一樣。指令選取時(shí)，①②④⑤必須使用直線指令，如MOVES。

1.4 寄存器選取

示教點(diǎn)位PA4的位置存放在關(guān)節(jié)坐標(biāo)寄存器LR[14]，其余點(diǎn)位通過(guò)計(jì)算得到。LR[10]～LR[13]分別存放PgdA、PA1～PA3坐標(biāo)值;LR[20]～LR[24]分別存放PgdB、PB1～PB4坐標(biāo)值;LR[30]～LR[34]分別存放PgdC、PC1～PC4坐標(biāo)值。抽象路徑點(diǎn)位存放：LR[1]存放過(guò)渡點(diǎn)Pgd1坐標(biāo)值，LR[2]存放P1坐標(biāo)值，LR[3]存放過(guò)渡點(diǎn)Pgd2坐標(biāo)值，LR[4]存放P2坐標(biāo)值。

設(shè)整型數(shù)值寄存器IR[1]～I(xiàn)R[60]存放四階“漢諾塔”游戲搬運(yùn)碼垛15步的每條路徑的點(diǎn)位坐標(biāo)值位置索引（每條路徑4個(gè)點(diǎn)位，一共60個(gè)），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(shè)置。

1.5 編程實(shí)現(xiàn)

通過(guò)搬運(yùn)碼垛算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，代碼行不超過(guò)60行，大大縮短了示教編程時(shí)間。

PROGRAM

'“漢諾塔”搬運(yùn)碼垛主程序

DIM I AS LONG = 0

WITH ROBOT

ATTACH ROBOT

ATTACH EXT_AXES

'點(diǎn)位計(jì)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(yùn)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(diào)用一個(gè)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(yùn)碼垛抽象路徑子程序

MOVES ROBOT LR[1]

MOVES ROBOT LR[2]

'氣爪張開(kāi)

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(guān)閉

DELAY ROBOT 100

D_OUT[18] = OFF

DELAY ROBOT 100

MOVES ROBOT LR[3]

END SUB

2? 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程搬運(yùn)碼垛典型工作任務(wù)進(jìn)行創(chuàng)新，設(shè)計(jì)四階“漢諾塔”搬運(yùn)碼垛臺(tái)，用華數(shù)Ⅱ型HSR-JR605工業(yè)機(jī)器人通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)示教點(diǎn)位及搬運(yùn)碼垛路徑的優(yōu)化，在游戲中學(xué)會(huì)解決搬運(yùn)碼垛典型工作任務(wù)的方法，提高應(yīng)用編程技巧，為“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程“課證融合”的開(kāi)發(fā)提供思路，為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)考取奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)務(wù)院.國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)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(shù)Ⅱ型機(jī)器人關(guān)鍵指令在碼垛編程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（11）：225-227.

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