基于机器人的码垛运动规划探究

机器人码垛在作业过程中具有一定的重载高速的特点，由此可以看出在对机器人码垛运动进行规划的过程中，至少要满足以下两点需求：一是在重载运行的状况下，必须确保加速度不会出现突变的状况，从而有效地避免机器人的本体受到冲击；二是必须使平均速度得到提升，以有效地提升机器人码垛效率。

1 机器人码垛运动规划现状

机器人码垛运动规划的主要目的是确保机器人能够对货物进行准确的抓取及放置，严格根据用户的实际要求位置进行货物的放置，同时也要确保整个码垛运动的过程具有一定的准确性、稳定性及高效性。因此，一般来说进行机器人码垛运动规划的过程主要可以分为速度规划和轨迹规划两个方面，主要目的是促使码垛机器人的路径拟合精度及运行效率都能够得到有效的提升。

轨迹规划主要是通过采用一定的计算方法，根据运动的起止点及中间点等相关数据进行计算，最终得出一条与时间位置对应的轨迹，其主要包括笛卡尔空间轨迹规划和关节空间轨迹计划。

1.1 笛卡尔空间轨迹规划

笛卡尔空间轨迹规划主要是指机器人的末端执行器在笛卡尔空间中进行运动的过程中产生的轨迹与要求的轨迹相拟合。相关人员想要确保末端执行器能够通过要求的轨迹，就必须将轨迹表达式进行明确。在对圆弧及直线等进行规划的过程中，轨迹规划的过程相对较为简单，最常见的方法是速度曲线法和等步长法。然而针对部分无法直接给出表达式的轨迹，在对其进行轨迹规划的过程中，通常都会利用样条曲线法、加减速曲线法及等步长法来完成轨迹的规划工作。

采用等步长法进行规划时，规划过程相对较为简单，但是在实际运行过程中效率较为低下，可能会对机器人的本体产生冲击；而用加减速曲线法进行规划时，最终的规划效果与加减速曲线类型的性能之间有着直接的联系；采用样条曲线法进行规划时，运行效率较高，并且能够确保与目标轨迹高度拟合，同时速度及加速度也不会出现突变状况，但是实际的规划过程相对较为复杂。

1.2 关节空间轨迹规划

关节空间轨迹规划一般来说就是点对点的问题，也就是说，机器人在运动过程中每一个轴运动的过程都能够呈现出一条光滑函数，而这一函数也能够作为制约点，对在不同位置上对应的轴位置进行有效的约束。关节空间轨迹主要是由多轴联动组合而成的，并且关节空间轨迹的形成与每一个轴运动的轨迹之间都有着十分紧密的联系。规划函数的不同对最终形成的关节空间轨迹有着直接的影响。一般来说，在进行关节空间轨迹计划的过程中，最常见的方法是加减速曲线法、抛物线过渡法及多项式法。

在对机器人码垛关节空间轨迹进行规划的过程中，采用多项式法可能会存在平均速度不高及多次加减速的状况，这就无法实现时间最优的轨迹规划目标；而使用抛物线过渡法进行规划时可能会产生加速度突变的状况，引起机器人本体抖动；采用加减速曲线法进行规划时，最终的规划效果与加减速曲线类型性能之间有着直接的联系。

2 机器人的码垛标准流程及运动规划需求

2.1 机器人码垛标准流程

机器人的码垛标准流程图呈现出“门”字形，如图1所示。根据图1可以看出，在标准码垛循环中主要可以分为8个步骤。

第一，从抓取准备点进行直线插补运动，最终运动至抓取点，这时间抓手打开，并且要进行延时，确保抓手能够准确地抓取到货物。

第二，当抓手完成了货物的抓取之后，再由抓取点开始运动，经过笛卡尔空间，进行直线运动，最终到抓取上方点。

第三，再由抓取上方点开始运动最终停止在避障点位置。

第四，由避障点开始运动至放置上方点，与此同时开始做货物放置的准备工作。

第五，从放置上方点开始进行运动，至放置点位置时停止运动，同时也要打开抓手，将货物进行放置并在放置货物的过程中进行延时，确保能够准确地放置货物。

第六，放置货物之后，从放置点开始进行运动，运动至放置上方点之后停止，并将抓手闭合。

第七，从放置上放点开始进行运动，运动至避障点后停止。

第八，从避障点开始运动，运动至抓取准备点时停止运动，静止等待进入下一次循环。

根据码垛标准流程中的8个步骤可以看出机器人码垛运动主要具有以下2个特征：首先，机器人码垛运动循环的整个循环过程主要是笛卡尔空间直线插补及关节插补；其次，机器人码垛运动过程中存在较多的中间点，在每一个循环过程都有7个中间点存在。

最终得出机器人码垛运动的规划需求如下：首先是关节插补。关节插补主要是在机器人码垛运动的循环过程中将中间点的关节运动插补得到实现。其次是直线插补。直线插补主要是指在进行抓取及放置的过程中，与Z轴平行的笛卡尔空间直线轨迹插补。

除此之外，对于机器人码垛运动的速度也要进行规划，使循环平均速度能够得到有效提升，降低机器人本体受到的冲击，满足机器人码垛的稳定性及高效性的要求。

图1 码垛标准流程示意图

2.2 机器人码垛运动规划需求

对工业机器人码垛进行运动规划的过程中，最主要的要求体现在4个方面，分别是轨迹拟合、重复精度、速度及稳定性。机器人码垛在实际的工业生产中，在对物料进行搬运、放置过程中，机器人的末端执行器会受到一定的负载。因此，与其他应用场景中的需求相比较，机器人码垛运动的规划指标有一定的不同之处。

首先，重复定位精度。重复定位精度对于大部分工业机器人而言，都是一项重要的控制指标，尤其是在对重复精度的要求相对较高的工业产业中。在我国目前的发展状况下，机器人的重复定位精度水平保持在0.1～1 mm；而在国外，机器人的重复定位精度一般保持在0.01～0.1 mm的水平。在机器人码垛运动过程中，机器人将货物进行搬运并放置在指定的位置上的运动，对于机器人的重复定位精度要求，国内国外的机器人都能够符合标准。

其次，速度。机器人码垛对于速度的要求较高，需要在最短的时间内将货物码放完成，因此，在对机器人码垛进行控制的过程中，一项重要的控制指标就是速度。在工业生产中，机器人能够用最快的速度完成码垛运动，就意味着工作效率能够得到有效提升。

再次，轨迹拟合度。一般来说，工业生产中的机器人在进行码垛运动时，其运动轨迹主要可以划分为两种，分别是笛卡尔空间直线运动和关节空间运动。机器人码垛运动与焊接对机器人的轨迹拟合度的要求有所不同，机器人码垛运动仅需要正确完成笛卡尔直线运动，并且不会由于直线轨迹拟合度较差而导致出现碰撞的现象即可。

最后，稳定性。当机器人在码垛运动过程中，经过了长时间的运行之后，机器人能够保证继续稳定运行并且不出现抖动震颤的状况，这就是机器人码垛的稳定性方面的规划需求。通常情况下，码垛机器人在实际运行过程中都是在负载状态下进行高速运动，并且在码垛运动过程中负载货物的重量要对较高，因此，必须确保码垛机器人在保证速度最快的状况下，其本体不会受到损害。

对机器人码垛运动规划目标进行确定时要结合机器人码垛运动规划需求：第一，在机器人码垛过程中，必须确保机器人的码垛运动不会出现速度突变及加速度突变状况，最大限度地降低机器人码垛过程中主体受到冲击的现象发生的概率；第二，相关人员必须确保机器人的码垛运动符合指定速度的要求，从而达到用户的实际需求目标，同时也要使机器人的码垛平均运动速度得到提升，使码垛时间得到优化。

3 结语

近几年我国的工业机器人得到了良好的发展，并且在工业生产过程中有了广泛的应用，机器人码垛就属于工业生产过程中的一项重要应用。但是在现阶段，机器人码垛过程中依然存在一定的问题，相关人员必须针对机器人码垛运动规划进行优化创新，为工业机器人更好地服务于工业生产行业提供保障。