基于速度最優(yōu)的碼垛機器人軌跡規(guī)劃算法

霍天龍 張博

關鍵詞：機器人;路徑規(guī)劃;速度最優(yōu);算法

0引言

隨著勞動力成本的增加，各類工業(yè)機器人越來越多地應用于自動化流水線中。其中碼垛機器人憑借其結(jié)構(gòu)簡單、動作快速靈活、故障率低等優(yōu)點廣泛應用于物品的搬運、拆垛、分類碼垛中。在搬運碼垛領域，人們追求的是高速、高效地完成物品的堆疊碼放。然而在機器人碼垛的實際應用中，絕大部分案例都是采用示教起始點、中間點及目標點的編程方式，幾乎沒有嵌入路徑規(guī)劃算法，導致機器人沒有全部發(fā)揮其優(yōu)勢，運行效率低下。針對此問題，本文以碼垛速度最優(yōu)為目標，提出了一套應用于ABB IRB460機器人的軌跡規(guī)劃算法。

1機器人碼垛機

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

以料袋碼垛為例，機器人碼垛生產(chǎn)線的核心設備主要由料袋輸送機、取袋輸送機、托盤輸送機、垛盤輸送機、碼垛機器人以及料袋夾具等組成。包裝完成的料袋經(jīng)由料袋輸送機抵達取袋輸送機，機器人從取袋輸送機處抓取料袋并運動至垛盤輸送機上方的托盤處，觸發(fā)夾具打開，放下料袋后返回初始位，再進行下一次的抓取碼放過程。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2機器人碼垛路徑

如圖2所示，目前市面上大多數(shù)機器人碼垛機的碼垛運動路徑為從點P1至點P5。即機器人收到抓袋信號后，從Home點（一般為機器人的零點）運行至料袋抓取位置點P1進行料袋抓取，提升至一定高度到達抓取提升位置點P2，再經(jīng)過中間位置點P3運行到目標點上方位置點P4，最后運行至碼垛目標位置點P5，觸發(fā)機器人夾具放下料袋，然后再沿原路徑返回至點P2，當有料袋再次到達時，機器人從點B直接運行至點P1進行料袋的抓取碼垛，當沒有料袋達到時，機器人則在點P2等待。

2軌跡規(guī)劃算法

為解決此問題，本文提出了一套應用于碼垛工藝下的軌跡規(guī)劃算法。把該算法嵌入到機器人程序中，只需要示教抓取位置點P1和目標位置點P5。對于碼垛工藝，奇數(shù)層和偶數(shù)層編組方式不同，故需要分別設定奇數(shù)層和偶數(shù)層的點P5。以偶數(shù)層為例，設定好點P5后，可按照文獻[9]的方法自動算出該層的其他碼垛點，奇數(shù)層同理。

點P1為抓取提升位置，設置點P3的目的是使機器人避開與取袋輸送機側(cè)邊的干涉，點P2除在z軸方向上比點P1有所增加外，姿態(tài)和點P1相同。點P1為人工示教點。自動計算點P2的方法為，把機器人在點P1的姿態(tài)賦值給點P2，即：

其中，th為應用案例中實際的料袋厚度;c為調(diào)整系數(shù)，主要依據(jù)機器人運動過程中與取袋輸送機之間干涉情況設定，一般設為1～2之間。

點P4為目標點上方位置，設置點P4的目的是防止機器人夾具和料垛間產(chǎn)生刮碰，點P4姿態(tài)和點P5相同，只是在z軸方向上數(shù)值有所增加。點P4的計算原理和點P2類似，在此不做詳述。

考慮本應用為碼垛工藝，所以點P3的縱坐標應略高于點P4，本設計中取點P3的縱坐標為：

3仿真與應用

3.1系統(tǒng)仿真

使用RobotStudio軟件創(chuàng)建IRB460機器人、取袋輸送機、垛盤輸送機等，如圖4所示。

把上述算法嵌入到IRB460機器人程序中，通過示教料袋抓取位置，碼垛位置后，即可自動計算出碼垛過程中所經(jīng)過的抓取提升位置，中間位置，目標點上方位置。其中機器人從抓取提升位置運動至目標點上方位置使用MoveC指令。設定夾具抓取料袋時間為0.1s，放下料袋時間為0.1s。垛型按照每層5袋、共10層設定，通過仿真測得機器人1h內(nèi)可完成1151次循環(huán)。為進一步提高速度，把機器人由點P2運行至點P1抓取物料的運動指令由MoveL改成TriggL，即還未到達抓取位置P1時，提前關閉夾具;由點P4運行至點P5進行碼放物料亦同理修改，最終測得機器人在1h內(nèi)可完成1228次循環(huán)。

3.2工程應用

為進一步驗證算法的可行性，把本文的算法應用到工程實際中，圖5所示為某化工廠的機器人碼垛機設備。把仿真程序的編程方法應用到本案例中，調(diào)試好機器人周邊設備的運行節(jié)拍，在保證物料供應充足的前提下運行機器人碼垛機并記錄數(shù)據(jù)，測得機器人的最終運行速度為1206袋/h。遠高于市面上機器人的運行速度。

4結(jié)束語

本文提出了一種基于速度最優(yōu)的碼垛機器人軌跡規(guī)劃算法。該方法省去了常規(guī)碼垛機需要示教大量中間位置點的麻煩，有效避免因經(jīng)驗不足導致示教點出現(xiàn)死點情況，而且提高了碼垛機器人的工作效率。仿真和實際應用均驗證了提出方法的有效性和可行性。