基于速度最優(yōu)的碼垛機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法

霍天龍 張博

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;路徑規(guī)劃;速度最優(yōu);算法

0引言

隨著勞動(dòng)力成本的增加，各類工業(yè)機(jī)器人越來(lái)越多地應(yīng)用于自動(dòng)化流水線中。其中碼垛機(jī)器人憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作快速靈活、故障率低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于物品的搬運(yùn)、拆垛、分類碼垛中。在搬運(yùn)碼垛領(lǐng)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(jī)器人碼垛的實(shí)際應(yīng)用中，絕大部分案例都是采用示教起始點(diǎn)、中間點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)的編程方式，幾乎沒(méi)有嵌入路徑規(guī)劃算法，導(dǎo)致機(jī)器人沒(méi)有全部發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行效率低下。針對(duì)此問(wèn)題，本文以碼垛速度最優(yōu)為目標(biāo)，提出了一套應(yīng)用于ABB IRB460機(jī)器人的軌跡規(guī)劃算法。

1機(jī)器人碼垛機(jī)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

以料袋碼垛為例，機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線的核心設(shè)備主要由料袋輸送機(jī)、取袋輸送機(jī)、托盤(pán)輸送機(jī)、垛盤(pán)輸送機(jī)、碼垛機(jī)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(jī)抵達(dá)取袋輸送機(jī)，機(jī)器人從取袋輸送機(jī)處抓取料袋并運(yùn)動(dòng)至垛盤(pán)輸送機(jī)上方的托盤(pán)處，觸發(fā)夾具打開(kāi)，放下料袋后返回初始位，再進(jìn)行下一次的抓取碼放過(guò)程。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2機(jī)器人碼垛路徑

如圖2所示，目前市面上大多數(shù)機(jī)器人碼垛機(jī)的碼垛運(yùn)動(dòng)路徑為從點(diǎn)P1至點(diǎn)P5。即機(jī)器人收到抓袋信號(hào)后，從Home點(diǎn)（一般為機(jī)器人的零點(diǎn)）運(yùn)行至料袋抓取位置點(diǎn)P1進(jìn)行料袋抓取，提升至一定高度到達(dá)抓取提升位置點(diǎn)P2，再經(jīng)過(guò)中間位置點(diǎn)P3運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)上方位置點(diǎn)P4，最后運(yùn)行至碼垛目標(biāo)位置點(diǎn)P5，觸發(fā)機(jī)器人夾具放下料袋，然后再沿原路徑返回至點(diǎn)P2，當(dāng)有料袋再次到達(dá)時(shí)，機(jī)器人從點(diǎn)B直接運(yùn)行至點(diǎn)P1進(jìn)行料袋的抓取碼垛，當(dāng)沒(méi)有料袋達(dá)到時(shí)，機(jī)器人則在點(diǎn)P2等待。

2軌跡規(guī)劃算法

為解決此問(wèn)題，本文提出了一套應(yīng)用于碼垛工藝下的軌跡規(guī)劃算法。把該算法嵌入到機(jī)器人程序中，只需要示教抓取位置點(diǎn)P1和目標(biāo)位置點(diǎn)P5。對(duì)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(shè)定奇數(shù)層和偶數(shù)層的點(diǎn)P5。以偶數(shù)層為例，設(shè)定好點(diǎn)P5后，可按照文獻(xiàn)[9]的方法自動(dòng)算出該層的其他碼垛點(diǎn)，奇數(shù)層同理。

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

其中，th為應(yīng)用案例中實(shí)際的料袋厚度;c為調(diào)整系數(shù)，主要依據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與取袋輸送機(jī)之間干涉情況設(shè)定，一般設(shè)為1～2之間。

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

考慮本應(yīng)用為碼垛工藝，所以點(diǎn)P3的縱坐標(biāo)應(yīng)略高于點(diǎn)P4，本設(shè)計(jì)中取點(diǎn)P3的縱坐標(biāo)為：

3仿真與應(yīng)用

3.1系統(tǒng)仿真

使用RobotStudio軟件創(chuàng)建IRB460機(jī)器人、取袋輸送機(jī)、垛盤(pán)輸送機(jī)等，如圖4所示。

把上述算法嵌入到IRB460機(jī)器人程序中，通過(guò)示教料袋抓取位置，碼垛位置后，即可自動(dòng)計(jì)算出碼垛過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的抓取提升位置，中間位置，目標(biāo)點(diǎn)上方位置。其中機(jī)器人從抓取提升位置運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)上方位置使用MoveC指令。設(shè)定夾具抓取料袋時(shí)間為0.1s，放下料袋時(shí)間為0.1s。垛型按照每層5袋、共10層設(shè)定，通過(guò)仿真測(cè)得機(jī)器人1h內(nèi)可完成1151次循環(huán)。為進(jìn)一步提高速度，把機(jī)器人由點(diǎn)P2運(yùn)行至點(diǎn)P1抓取物料的運(yùn)動(dòng)指令由MoveL改成TriggL，即還未到達(dá)抓取位置P1時(shí)，提前關(guān)閉夾具;由點(diǎn)P4運(yùn)行至點(diǎn)P5進(jìn)行碼放物料亦同理修改，最終測(cè)得機(jī)器人在1h內(nèi)可完成1228次循環(huán)。

3.2工程應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證算法的可行性，把本文的算法應(yīng)用到工程實(shí)際中，圖5所示為某化工廠的機(jī)器人碼垛機(jī)設(shè)備。把仿真程序的編程方法應(yīng)用到本案例中，調(diào)試好機(jī)器人周邊設(shè)備的運(yùn)行節(jié)拍，在保證物料供應(yīng)充足的前提下運(yùn)行機(jī)器人碼垛機(jī)并記錄數(shù)據(jù)，測(cè)得機(jī)器人的最終運(yùn)行速度為1206袋/h。遠(yuǎn)高于市面上機(jī)器人的運(yùn)行速度。

4結(jié)束語(yǔ)

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