機器人紙箱套裝系統的軌跡規劃與分析范文

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《機器人產業》2017年第5期

摘要：目的保證機器人紙箱套裝系統穩定工作，提高包裝質量與效率。方法對系統進行整體規劃后，確定紙箱套裝系統的軌跡點，對不同的運動過程分別在關節空間中和笛卡爾空間中進行軌跡規劃，并生成各關節插值曲線。借助Matlab對機器人進行仿真實驗，得出各關節角度規劃曲線，并將之與軌跡規劃所得結果進行比較。利用機器人實物對軌跡規劃進行驗證。結果各關節插值曲線與角度規劃曲線吻合，角度規劃曲線平滑。結論選用的套箱機器人軌跡規劃方法可行，結果正確。

關鍵詞：機器人紙箱套裝系統；工業機器人；整體規劃；軌跡規劃；Matlab；方案驗證

紙箱套裝是生產的重要流程之一，其質量的好壞、速度的快慢是影響生產效率的重要因素。隨著生產要求的不斷提高，傳統裝箱過程中資源浪費嚴重、工作效率低下等問題日益凸顯，機器人紙箱套裝系統應運而生。套裝機器人是典型的機電一體化產品[1]。在實際工作中，為了有效延長機器人壽命，要盡可能避免機器人速度、加速度、位移的突變，保證運動軌跡曲線的平滑[2―3]，因此要對機器人進行軌跡規劃，即對機器人運動路徑、軌跡進行描述，實時求解出機器人運動的速度、加速度和位移，從而生成運動軌跡[4]。這里擬基于以上要求和實際情況，確定機器人紙箱套裝系統軌跡點，在此基礎上對機器人進行軌跡規劃；借助Matlab對機器人進行軌跡仿真實驗，將生成的曲線圖與軌跡規劃插值曲線圖進行對比；用工業機器人實體進行試驗，驗證軌跡規劃的正確性。

1機器人紙箱套裝系統介紹

機器人紙箱套裝系統主要由套箱機器人、輥筒輸送機、定位液壓缸、PLC控制柜等部分組成，機器人紙箱套裝系統見圖1。紙箱套裝機器人是紙箱套裝系統的核心部分，由工業機器人和安裝在其末端的吸附式紙箱夾持機構組成。它的主要作用是在接收到套箱工作指令后，機器人各部分協同運動到達指定的位置，由紙箱夾持裝置夾持紙箱，運動到待套裝商品的上方，放下紙箱，完成套裝工作。輥筒輸送機上裝有精確定位裝置，利用紅外線傳感器監測待套裝商品的位置，并與定位液壓缸協同作業，確保待套裝商品始終處于同一位置，方便機器人的重復定位[5]，提高工作準確率。機器人紙箱套裝系統的工作流程為：系統開始運行→機器人運動至指定位置，夾起紙箱→待套裝商品運輸至指定位置→機器人運動至商品上方，開始套箱→完成一次套箱工作。

2紙箱套裝系統的規劃設計

2.1系統軌跡規劃方法的確定

在確定軌跡方法時，應首先定義不同的坐標系以體現在空間中的機器人的位姿[6]。紙箱套裝系統中定義的坐標系見圖2，其中{B}為基坐標系，{S}為工作臺坐標系，{T}為工具坐標系，{G}為目標坐標系。為了進行軌跡規劃，需要將軌跡點位姿轉換到機器人基坐標系{B}下，再通過工具坐標系{T}與各關節的變換關系，求出各關節旋轉角度。

2.2c0→c1段軌跡規劃

由于c0→c1段不需嚴格要求末端執行器在兩點之間的幾何路徑，且兩點間路徑的各關節運動形式簡單，故選擇三次多項式進行插值計算[7―10]。

3軌跡規劃的分析驗證

3.1基于Matlab的軌跡規劃合理性驗證

3.1.1運動學建模

根據機器人的相關參數，調用RoboticsToolbox工具箱[13—14]中的link和robot函數分別創建機器人運動模型。

3.1.2c0→c1段軌跡規劃分析驗證

已知c0→c1這段軌跡的機器人各關節角度表達式如式（2）。3.1.3c2→c3→c4段軌跡規劃分析驗證該段采用圓弧插補算法進行笛卡爾空間軌跡的插補，在驗證算法的正確性時，不僅需要對機器人末端的位置、姿態進行仿真，還需要對各關節角度進行仿真。對整段圓弧曲線的關節角度及姿態進行仿真時，需要分成c2→c3，c3→c42段進行，已知c2，c3，c4各關節的角度值，根據速度限制及各關節變化量，求各關節變換時間，取最大值。設定c2→c3和c3→c4這2段軌跡的運行時間分別為0.2和0.4s。

3.2基于ER20-C10機器人的軌跡規劃合理性驗證

這里通過機器人的實際運動來驗證夾持裝置軌跡規劃的合理性，其運動通過運行預先編制的程序來進行。選取套箱過程的幾個關鍵點，對機器人進行手動操作，使夾持中心到達預先設定的位置。

4結語

設計了一套機器人紙箱套裝系統，該系統對比傳統人工套箱方式，能夠大幅度提高工作效率，降低資源浪費和人工成本，有廣泛的應用空間。這里以紙箱套裝系統整體規劃為前提，在確定了系統軌跡點后，針對不同的運動過程，實現了機器人在關節空間和笛卡爾空間的軌跡規劃。借助Matlab中的RoboticsToolbox工具箱，構建了套箱機器人的模型，在此基礎上對機器人進行仿真實驗，并將結果與軌跡規劃結果進行對比。另外，借助機器人實體進行了軌跡規劃合理性驗證。相關結果表明，機器人軌跡規劃方法的選用合理，結果正確，該方法對工業機器人軌跡規劃具有一定的參考意義。

作者：曹沖振；徐杰；姜鵬；許彤然；闞常凱 單位：山東科技大學