码垛机器人轨迹规划研究现状与展望

摘要：如何能够保证码垛机器人快速、准确、高效、稳定地抓取、搬运和放置货物，是码垛机器人的主要目的。轨迹规划是完成码垛作业任务的关键环节。分析码垛机器人标准作业流程，提出码垛运动轨迹的规划需求。介绍了机器人轨迹规划的研究现状，最后展望机器人轨迹规划的发展趋势。

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.

关键词：码垛机器人;轨迹规划;现状;发展趋势

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

中图分类号：TP242                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）25-0227-02

0  引言

碼垛机器人具有作业高效、码垛稳定等优点，解放工人繁重体力劳动，已在各个行业的包装物流线中发挥强大作用。码垛机器人主要适应对象为大批量、重复性强或是工作环境具有高温、粉尘等条件恶劣情况。如何能够保证码垛机器人快速、准确、高效、稳定地抓取、搬运和放置货物，是码垛机器人的主要目的。因此，弄清码垛机器人标准作业流程，对码垛任务的关键环节轨迹规划进行分析总结对于实现码垛机器人的主要目的很有必要。

1  码垛机器人标准作业流程

码垛机器人进行码垛的标准作业流程分为8个步骤。以袋料码垛为例，选择关节式（ 4 轴）码垛机器人，末端执行器为抓取式，采用在线示教方式为机器人输入码垛作业程序，以A垛Ⅰ码垛为例展开，如图1所示。

码垛轨迹中包含如图所示的8个程序点。每个程序点的说明如表1所示。

通过码垛的标准作业流程可以看出，机器人码垛运动轨迹的规划需求：

轨迹的插补方式主要有两种：关节插补和笛卡尔空间下的直线插补。

轨迹中过渡点较多，每个码垛循环有6个中间点。因此为了机器人能够在码垛运动过程中能够提高速度增加工作效率，减小对机器人本体的冲击，需要对整个过程的速度和轨迹进行规划。

2  码垛机器人轨迹规划研究现状

工业机器人的运行离不开运动轨迹的规划。机器人轨迹规划属于机器人底层规划范畴[1]，主要研究的是机器人在关节空间和笛卡尔空间的运动规划和轨迹生成方法。实用的码垛机器人运动轨迹应满足平滑、平稳、加减速效率高的要求[2]。

2.1 轨迹规划

轨迹规划根据坐标空间的不同，分为关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划。

关节空间轨迹规划从关节角度的数学关系对机器人的轨迹进行描述，即关节角度变量直接确定机器人末端执行器的运动轨迹，因此在关节空间中进行轨迹规划，计算量大大减少。而且由于关节空间与直角坐标空间之间并不是连续的对应关系，因而不会发生机构的奇异性问题。但关节空间和直角空间的几何元素不是线性关系，所以当关节变量呈线性变化时，在直角空间参考点的运动轨迹并不形成直线。所以只有那些无路径要求的作业，才能在关节空间直接进行轨迹规划[3]。

笛卡尔空间的轨迹规划方法概念直观并且具有准确的规划路径，但笛卡尔空间路径规划的结果最终需要转换成对应的关节坐标，巨大的计算量，非常耗时，从而控制时间延长，降低了控制效率[4]。然而对路径、姿态两者的实时变化规律具有严格要求的作业，如连续弧焊作业，它的轨迹规划最好先在笛卡尔空间中进行，接着再将规划的轨迹细分成有限多个点，一点一点地对应到关节空间，得到关节变量，最后进行利用关节变量进行控制。

两种空间的轨迹规划都需要满足速度、加速度的连续，保证轨迹的连续、平滑。在关节空间中进行轨迹规划，实时性更好，且不用考虑奇异问题，实际中也多用此种规划方法。

2.2 轨迹优化

轨迹优化是在轨迹规划的基础上，进一步改善轨迹的性能。轨迹优化的主要原因有两个：一是由于作业任务限制，需要改善轨迹才能完成作业;二是实际作业要求需要获得更大的效益，为此需要提高效率、减少能力消耗、减少冲击等。

码垛机器人在进行轨迹规划和优化需要重点考虑以下两个方面：①速度。衡量机器人的一个重要性能指标是码垛的工作效率。也就是说要保证机器人如何让机器人快速的实现来回运动，并且持续保持。②平稳。在实际码垛任务中，机器人需要频繁快速启停，势必对机械本体造成冲击和磨损。因此码垛机器人在运功规划过程中一定要考虑稳定性和平滑性需求。

3  机器人轨迹规划发展趋势

随着制造业和科学技术的不断发展和进步，工业自动化生产中的工况越加复杂，且对精度的要求越来越高，这对工业机器人的轨迹规划提出了更高的要求。轨迹规划需要向高精度、模块化及智能化等方向发展。主要发展趋势体现在以下几个方面：

①结合实际工作模式，综合各种因素实现高可靠性，达到全局最优。实际应用中，对轨迹进行规划，需要综合考虑机器人本体的重量、电机的工作转速、负载的特性等许多因素[5]。需要在考虑上述诸多因素的前提下，针对具体的工况进行轨迹规划，从而达到高可靠性。而不是像目前的研究，针对某一方面，在既定的条件下进行特定优化，需要考虑诸多因素实现轨迹规划的全局最优。

②将虚拟现实技术应用于机器人轨迹规划系统。虚拟现实（Virtual Reality，VR）具有直观、逼真、沉浸的三维视觉效果，在进行工业机器人的轨迹规划的时候，利用此特点可以提供一种易于设计和交互的模式。另外，坐标变换、路径规划等领域是虚拟现实和机器人学都需要关注的领域，二者在很多领域的技术相关性很大，这为虚拟现实技术广泛地应用在工业机器人中提供了充分的条件。

③轨迹规划算法朝模块化、集成化和智能化发展。轨迹规划算法对于机器人使用者来说非常难懂。这就要求轨迹规划算法能够模块化，进行软件封装，最后集成各种功能，形成一款易用性高和功能强大的软件，为机器人跟着提供全配套智能解决方案。目前，这一趋势在当前主流品牌的工业机器人制造企业的工业产品中早有体现，如ABB RobotStudio，Fanuc的RoboGuide，KUKA.Sim pro等。这些软件封装机器人轨迹规划及控制算法等功能模块，能够实现快速建模、高效编程和实时验证。这些产品提供简单易用的界面。使用者通过简单的培训或者阅读说明书，就可以快速使用工业机器人完成任务，大大地降低了工业机器人的使用门槛。软件使用者不需要了解轨迹规划算法，也能独立快速地完成轨迹设计。

参考文献：

[1]蔡自興.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000：35-79.

[2]张玲.基于三次样条曲线的码垛机器人平滑轨迹规划方法[J].高技术通讯，2018（1）：78-82.

[3]王国龙.6R工业机器人轨迹规划算法研究及仿真[D].浙江工业大学，2016.

[4]蒋新松.机器人与工业自动化[M].石家庄：河北教育出版社，2005：20-24.

[5]李黎，尚俊云，冯艳丽，淮亚文.关节型工业机器人轨迹规划[J].计算机工程与应用，2018，54（5）：36-50.