碼垛機器人軌跡規劃研究現狀與展望

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

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;軌跡規劃;現狀;發展趨勢

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高效、碼垛穩定等優點，解放工人繁重體力勞動，已在各個行業的包裝物流線中發揮強大作用。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流程，對碼垛任務的關鍵環節軌跡規劃進行分析總結對于實現碼垛機器人的主要目的很有必要。

1 ?碼垛機器人標準作業流程

碼垛機器人進行碼垛的標準作業流程分為8個步驟。以袋料碼垛為例，選擇關節式（ 4 軸）碼垛機器人，末端執行器為抓取式，采用在線示教方式為機器人輸入碼垛作業程序，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流程可以看出，機器人碼垛運動軌跡的規劃需求：

軌跡的插補方式主要有兩種：關節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劃。

2 ?碼垛機器人軌跡規劃研究現狀

工業機器人的運行離不開運動軌跡的規劃。機器人軌跡規劃屬于機器人底層規劃范疇[1]，主要研究的是機器人在關節空間和笛卡爾空間的運動規劃和軌跡生成方法。實用的碼垛機器人運動軌跡應滿足平滑、平穩、加減速效率高的要求[2]。

2.1 軌跡規劃

軌跡規劃根據坐標空間的不同，分為關節空間軌跡規劃和笛卡爾空間軌跡規劃。

關節空間軌跡規劃從關節角度的數學關系對機器人的軌跡進行描述，即關節角度變量直接確定機器人末端執行器的運動軌跡，因此在關節空間中進行軌跡規劃，計算量大大減少。而且由于關節空間與直角坐標空間之間并不是連續的對應關系，因而不會發生機構的奇異性問題。但關節空間和直角空間的幾何元素不是線性關系，所以當關節變量呈線性變化時，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，才能在關節空間直接進行軌跡規劃[3]。

笛卡爾空間的軌跡規劃方法概念直觀并且具有準確的規劃路徑，但笛卡爾空間路徑規劃的結果最終需要轉換成對應的關節坐標，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、姿態兩者的實時變化規律具有嚴格要求的作業，如連續弧焊作業，它的軌跡規劃最好先在笛卡爾空間中進行，接著再將規劃的軌跡細分成有限多個點，一點一點地對應到關節空間，得到關節變量，最后進行利用關節變量進行控制。

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

2.2 軌跡優化

軌跡優化是在軌跡規劃的基礎上，進一步改善軌跡的性能。軌跡優化的主要原因有兩個：一是由于作業任務限制，需要改善軌跡才能完成作業;二是實際作業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劃和優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來回運動，并且持續保持。②平穩。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劃過程中一定要考慮穩定性和平滑性需求。

3 ?機器人軌跡規劃發展趨勢

隨著制造業和科學技術的不斷發展和進步，工業自動化生產中的工況越加復雜，且對精度的要求越來越高，這對工業機器人的軌跡規劃提出了更高的要求。軌跡規劃需要向高精度、模塊化及智能化等方向發展。主要發展趨勢體現在以下幾個方面：

①結合實際工作模式，綜合各種因素實現高可靠性，達到全局最優。實際應用中，對軌跡進行規劃，需要綜合考慮機器人本體的重量、電機的工作轉速、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化，需要考慮諸多因素實現軌跡規劃的全局最優。

②將虛擬現實技術應用于機器人軌跡規劃系統。虛擬現實（Virtual Reality，VR）具有直觀、逼真、沉浸的三維視覺效果，在進行工業機器人的軌跡規劃的時候，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、路徑規劃等領域是虛擬現實和機器人學都需要關注的領域，二者在很多領域的技術相關性很大，這為虛擬現實技術廣泛地應用在工業機器人中提供了充分的條件。

③軌跡規劃算法朝模塊化、集成化和智能化發展。軌跡規劃算法對于機器人使用者來說非常難懂。這就要求軌跡規劃算法能夠模塊化，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機器人制造企業的工業產品中早有體現，如ABB RobotStudio，Fanuc的RoboGuide，KUKA.Sim pro等。這些軟件封裝機器人軌跡規劃及控制算法等功能模塊，能夠實現快速建模、高效編程和實時驗證。這些產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機器人完成任務，大大地降低了工業機器人的使用門檻。軟件使用者不需要了解軌跡規劃算法，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劃方法[J].高技術通訊，2018（1）：78-82.

[3]王國龍.6R工業機器人軌跡規劃算法研究及仿真[D].浙江工業大學，2016.

[4]蔣新松.機器人與工業自動化[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.關節型工業機器人軌跡規劃[J].計算機工程與應用，2018，54（5）：36-50.