碼垛機器人軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀與展望

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

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.

關鍵詞：碼垛機器人;軌跡規(guī)劃;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

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

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）25-0227-02

0 ?引言

碼垛機器人具有作業(yè)高效、碼垛穩(wěn)定等優(yōu)點，解放工人繁重體力勞動，已在各個行業(yè)的包裝物流線中發(fā)揮強大作用。碼垛機器人主要適應對象為大批量、重復性強或是工作環(huán)境具有高溫、粉塵等條件惡劣情況。如何能夠保證碼垛機器人快速、準確、高效、穩(wěn)定地抓取、搬運和放置貨物，是碼垛機器人的主要目的。因此，弄清碼垛機器人標準作業(yè)流程，對碼垛任務的關鍵環(huán)節(jié)軌跡規(guī)劃進行分析總結(jié)對于實現(xiàn)碼垛機器人的主要目的很有必要。

1 ?碼垛機器人標準作業(yè)流程

碼垛機器人進行碼垛的標準作業(yè)流程分為8個步驟。以袋料碼垛為例，選擇關節(jié)式（ 4 軸）碼垛機器人，末端執(zhí)行器為抓取式，采用在線示教方式為機器人輸入碼垛作業(yè)程序，以A垛Ⅰ碼垛為例展開，如圖1所示。

碼垛軌跡中包含如圖所示的8個程序點。每個程序點的說明如表1所示。

通過碼垛的標準作業(yè)流程可以看出，機器人碼垛運動軌跡的規(guī)劃需求：

軌跡的插補方式主要有兩種：關節(jié)插補和笛卡爾空間下的直線插補。

軌跡中過渡點較多，每個碼垛循環(huán)有6個中間點。因此為了機器人能夠在碼垛運動過程中能夠提高速度增加工作效率，減小對機器人本體的沖擊，需要對整個過程的速度和軌跡進行規(guī)劃。

2 ?碼垛機器人軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀

工業(yè)機器人的運行離不開運動軌跡的規(guī)劃。機器人軌跡規(guī)劃屬于機器人底層規(guī)劃范疇[1]，主要研究的是機器人在關節(jié)空間和笛卡爾空間的運動規(guī)劃和軌跡生成方法。實用的碼垛機器人運動軌跡應滿足平滑、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)坐標空間的不同，分為關節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃。

關節(jié)空間軌跡規(guī)劃從關節(jié)角度的數(shù)學關系對機器人的軌跡進行描述，即關節(jié)角度變量直接確定機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡，因此在關節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃，計算量大大減少。而且由于關節(jié)空間與直角坐標空間之間并不是連續(xù)的對應關系，因而不會發(fā)生機構(gòu)的奇異性問題。但關節(jié)空間和直角空間的幾何元素不是線性關系，所以當關節(jié)變量呈線性變化時，在直角空間參考點的運動軌跡并不形成直線。所以只有那些無路徑要求的作業(yè)，才能在關節(jié)空間直接進行軌跡規(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)換成對應的關節(jié)坐標，巨大的計算量，非常耗時，從而控制時間延長，降低了控制效率[4]。然而對路徑、姿態(tài)兩者的實時變化規(guī)律具有嚴格要求的作業(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行，接著再將規(guī)劃的軌跡細分成有限多個點，一點一點地對應到關節(jié)空間，得到關節(jié)變量，最后進行利用關節(jié)變量進行控制。

兩種空間的軌跡規(guī)劃都需要滿足速度、加速度的連續(xù)，保證軌跡的連續(xù)、平滑。在關節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃，實時性更好，且不用考慮奇異問題，實際中也多用此種規(guī)劃方法。

2.2 軌跡優(yōu)化

軌跡優(yōu)化是在軌跡規(guī)劃的基礎上，進一步改善軌跡的性能。軌跡優(yōu)化的主要原因有兩個：一是由于作業(yè)任務限制，需要改善軌跡才能完成作業(yè);二是實際作業(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、減少沖擊等。

碼垛機器人在進行軌跡規(guī)劃和優(yōu)化需要重點考慮以下兩個方面：①速度。衡量機器人的一個重要性能指標是碼垛的工作效率。也就是說要保證機器人如何讓機器人快速的實現(xiàn)來回運動，并且持續(xù)保持。②平穩(wěn)。在實際碼垛任務中，機器人需要頻繁快速啟停，勢必對機械本體造成沖擊和磨損。因此碼垛機器人在運功規(guī)劃過程中一定要考慮穩(wěn)定性和平滑性需求。

3 ?機器人軌跡規(guī)劃發(fā)展趨勢

隨著制造業(yè)和科學技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，工業(yè)自動化生產(chǎn)中的工況越加復雜，且對精度的要求越來越高，這對工業(yè)機器人的軌跡規(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)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

①結(jié)合實際工作模式，綜合各種因素實現(xiàn)高可靠性，達到全局最優(yōu)。實際應用中，對軌跡進行規(guī)劃，需要綜合考慮機器人本體的重量、電機的工作轉(zhuǎn)速、負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，針對具體的工況進行軌跡規(guī)劃，從而達到高可靠性。而不是像目前的研究，針對某一方面，在既定的條件下進行特定優(yōu)化，需要考慮諸多因素實現(xiàn)軌跡規(guī)劃的全局最優(yōu)。

②將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于機器人軌跡規(guī)劃系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）具有直觀、逼真、沉浸的三維視覺效果，在進行工業(yè)機器人的軌跡規(guī)劃的時候，利用此特點可以提供一種易于設計和交互的模式。另外，坐標變換、路徑規(guī)劃等領域是虛擬現(xiàn)實和機器人學都需要關注的領域，二者在很多領域的技術(shù)相關性很大，這為虛擬現(xiàn)實技術(shù)廣泛地應用在工業(yè)機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)劃算法對于機器人使用者來說非常難懂。這就要求軌跡規(guī)劃算法能夠模塊化，進行軟件封裝，最后集成各種功能，形成一款易用性高和功能強大的軟件，為機器人跟著提供全配套智能解決方案。目前，這一趨勢在當前主流品牌的工業(yè)機器人制造企業(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、高效編程和實時驗證。這些產(chǎn)品提供簡單易用的界面。使用者通過簡單的培訓或者閱讀說明書，就可以快速使用工業(yè)機器人完成任務，大大地降低了工業(yè)機器人的使用門檻。軟件使用者不需要了解軌跡規(guī)劃算法，也能獨立快速地完成軌跡設計。

參考文獻：

[1]蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2000：35-79.

[2]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(shù)通訊，2018（1）：78-82.

[3]王國龍.6R工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃算法研究及仿真[D].浙江工業(yè)大學，2016.

[4]蔣新松.機器人與工業(yè)自動化[M].石家莊：河北教育出版社，2005：20-24.

[5]李黎，尚俊云，馮艷麗，淮亞文.關節(jié)型工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃[J].計算機工程與應用，2018，54（5）：36-50.