蔡榮盛 陳麗嬌

【摘 要】機器人碼垛的主要目的是為了使貨物的抓取、搬運及放置都能夠更加快速、高效和準確。與其他類型的機器人控制工作相同，通過對機器人實現(xiàn)指令要求的運動規(guī)律進行控制，最終達到不同施工工藝的施工要求。文章針對基于機器人的碼垛運動規(guī)劃展開簡要的探討。

【關鍵詞】機器人;碼垛運動;運動規(guī)劃

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

機器人碼垛在作業(yè)過程中具有一定的重載高速的特點，由此可以看出在對機器人碼垛運動進行規(guī)劃的過程中，至少要滿足以下兩點需求：一是在重載運行的狀況下，必須確保加速度不會出現(xiàn)突變的狀況，從而有效地避免機器人的本體受到沖擊;二是必須使平均速度得到提升，以有效地提升機器人碼垛效率。

1 機器人碼垛運動規(guī)劃現(xiàn)狀

機器人碼垛運動規(guī)劃的主要目的是確保機器人能夠對貨物進行準確的抓取及放置，嚴格根據(jù)用戶的實際要求位置進行貨物的放置，同時也要確保整個碼垛運動的過程具有一定的準確性、穩(wěn)定性及高效性。因此，一般來說進行機器人碼垛運動規(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器人的路徑擬合精度及運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)運動的起止點及中間點等相關數(shù)據(jù)進行計算，最終得出一條與時間位置對應的軌跡，其主要包括笛卡爾空間軌跡規(guī)劃和關節(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)劃主要是指機器人的末端執(zhí)行器在笛卡爾空間中進行運動的過程中產生的軌跡與要求的軌跡相擬合。相關人員想要確保末端執(zhí)行器能夠通過要求的軌跡，就必須將軌跡表達式進行明確。在對圓弧及直線等進行規(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式的軌跡，在對其進行軌跡規(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。

采用等步長法進行規(guī)劃時，規(guī)劃過程相對較為簡單，但是在實際運行過程中效率較為低下，可能會對機器人的本體產生沖擊;而用加減速曲線法進行規(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;采用樣條曲線法進行規(guī)劃時，運行效率較高，并且能夠確保與目標軌跡高度擬合，同時速度及加速度也不會出現(xiàn)突變狀況，但是實際的規(guī)劃過程相對較為復雜。

1.2 關節(jié)空間軌跡規(guī)劃

關節(jié)空間軌跡規(guī)劃一般來說就是點對點的問題，也就是說，機器人在運動過程中每一個軸運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，對在不同位置上對應的軸位置進行有效的約束。關節(jié)空間軌跡主要是由多軸聯(lián)動組合而成的，并且關節(jié)空間軌跡的形成與每一個軸運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節(jié)空間軌跡有著直接的影響。一般來說，在進行關節(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式法。

在對機器人碼垛關節(jié)空間軌跡進行規(guī)劃的過程中，采用多項式法可能會存在平均速度不高及多次加減速的狀況，這就無法實現(xiàn)時間最優(yōu)的軌跡規(guī)劃目標;而使用拋物線過渡法進行規(guī)劃時可能會產生加速度突變的狀況，引起機器人本體抖動;采用加減速曲線法進行規(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 機器人的碼垛標準流程及運動規(guī)劃需求

2.1 機器人碼垛標準流程

機器人的碼垛標準流程圖呈現(xiàn)出“門”字形，如圖1所示。根據(jù)圖1可以看出，在標準碼垛循環(huán)中主要可以分為8個步驟。

第一，從抓取準備點進行直線插補運動，最終運動至抓取點，這時間抓手打開，并且要進行延時，確保抓手能夠準確地抓取到貨物。

第二，當抓手完成了貨物的抓取之后，再由抓取點開始運動，經過笛卡爾空間，進行直線運動，最終到抓取上方點。

第三，再由抓取上方點開始運動最終停止在避障點位置。

第四，由避障點開始運動至放置上方點，與此同時開始做貨物放置的準備工作。

第五，從放置上方點開始進行運動，至放置點位置時停止運動，同時也要打開抓手，將貨物進行放置并在放置貨物的過程中進行延時，確保能夠準確地放置貨物。

第六，放置貨物之后，從放置點開始進行運動，運動至放置上方點之后停止，并將抓手閉合。

第七，從放置上放點開始進行運動，運動至避障點后停止。

第八，從避障點開始運動，運動至抓取準備點時停止運動，靜止等待進入下一次循環(huán)。

根據(jù)碼垛標準流程中的8個步驟可以看出機器人碼垛運動主要具有以下2個特征：首先，機器人碼垛運動循環(huán)的整個循環(huán)過程主要是笛卡爾空間直線插補及關節(jié)插補;其次，機器人碼垛運動過程中存在較多的中間點，在每一個循環(huán)過程都有7個中間點存在。

最終得出機器人碼垛運動的規(guī)劃需求如下：首先是關節(jié)插補。關節(jié)插補主要是在機器人碼垛運動的循環(huán)過程中將中間點的關節(jié)運動插補得到實現(xiàn)。其次是直線插補。直線插補主要是指在進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。

除此之外，對于機器人碼垛運動的速度也要進行規(guī)劃，使循環(huán)平均速度能夠得到有效提升，降低機器人本體受到的沖擊，滿足機器人碼垛的穩(wěn)定性及高效性的要求。

2.2 機器人碼垛運動規(guī)劃需求

對工業(yè)機器人碼垛進行運動規(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、重復精度、速度及穩(wěn)定性。機器人碼垛在實際的工業(yè)生產中，在對物料進行搬運、放置過程中，機器人的末端執(zhí)行器會受到一定的負載。因此，與其他應用場景中的需求相比較，機器人碼垛運動的規(guī)劃指標有一定的不同之處。

首先，重復定位精度。重復定位精度對于大部分工業(yè)機器人而言，都是一項重要的控制指標，尤其是在對重復精度的要求相對較高的工業(yè)產業(yè)中。在我國目前的發(fā)展狀況下，機器人的重復定位精度水平保持在0.1～1 mm;而在國外，機器人的重復定位精度一般保持在0.01～0.1 mm的水平。在機器人碼垛運動過程中，機器人將貨物進行搬運并放置在指定的位置上的運動，對于機器人的重復定位精度要求，國內國外的機器人都能夠符合標準。

其次，速度。機器人碼垛對于速度的要求較高，需要在最短的時間內將貨物碼放完成，因此，在對機器人碼垛進行控制的過程中，一項重要的控制指標就是速度。在工業(yè)生產中，機器人能夠用最快的速度完成碼垛運動，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)生產中的機器人在進行碼垛運動時，其運動軌跡主要可以劃分為兩種，分別是笛卡爾空間直線運動和關節(jié)空間運動。機器人碼垛運動與焊接對機器人的軌跡擬合度的要求有所不同，機器人碼垛運動僅需要正確完成笛卡爾直線運動，并且不會由于直線軌跡擬合度較差而導致出現(xiàn)碰撞的現(xiàn)象即可。

最后，穩(wěn)定性。當機器人在碼垛運動過程中，經過了長時間的運行之后，機器人能夠保證繼續(xù)穩(wěn)定運行并且不出現(xiàn)抖動震顫的狀況，這就是機器人碼垛的穩(wěn)定性方面的規(guī)劃需求。通常情況下，碼垛機器人在實際運行過程中都是在負載狀態(tài)下進行高速運動，并且在碼垛運動過程中負載貨物的重量要對較高，因此，必須確保碼垛機器人在保證速度最快的狀況下，其本體不會受到損害。

對機器人碼垛運動規(guī)劃目標進行確定時要結合機器人碼垛運動規(guī)劃需求：第一，在機器人碼垛過程中，必須確保機器人的碼垛運動不會出現(xiàn)速度突變及加速度突變狀況，最大限度地降低機器人碼垛過程中主體受到沖擊的現(xiàn)象發(fā)生的概率;第二，相關人員必須確保機器人的碼垛運動符合指定速度的要求，從而達到用戶的實際需求目標，同時也要使機器人的碼垛平均運動速度得到提升，使碼垛時間得到優(yōu)化。

3 結語

近幾年我國的工業(yè)機器人得到了良好的發(fā)展，并且在工業(yè)生產過程中有了廣泛的應用，機器人碼垛就屬于工業(yè)生產過程中的一項重要應用。但是在現(xiàn)階段，機器人碼垛過程中依然存在一定的問題，相關人員必須針對機器人碼垛運動規(guī)劃進行優(yōu)化創(chuàng)新，為工業(yè)機器人更好地服務于工業(yè)生產行業(yè)提供保障。

參 考 文 獻

[1]郭瑞峰，李巖鶴，史世懷.關節(jié)型碼垛機器人軌跡規(guī)劃及運動學研究[J].機械設計與制造，2017（1）：76-78.

[2]方健，宋宇，朱茂飛，等.基于時間最優(yōu)的碼垛機器人軌跡規(guī)劃[J].控制工程，2018（1）：93-99.

[3]張玲.基于三次樣條曲線的碼垛機器人平滑軌跡規(guī)劃方法[J].高技術通訊，2018（1）：78-82.

[責任編輯：鐘聲賢]