机器人纸箱套装系统的轨迹规划与分析范文

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《机器人产业》2017年第5期

摘要：目的保证机器人纸箱套装系统稳定工作，提高包装质量与效率。方法对系统进行整体规划后，确定纸箱套装系统的轨迹点，对不同的运动过程分别在关节空间中和笛卡尔空间中进行轨迹规划，并生成各关节插值曲线。借助Matlab对机器人进行仿真实验，得出各关节角度规划曲线，并将之与轨迹规划所得结果进行比较。利用机器人实物对轨迹规划进行验证。结果各关节插值曲线与角度规划曲线吻合，角度规划曲线平滑。结论选用的套箱机器人轨迹规划方法可行，结果正确。

关键词：机器人纸箱套装系统；工业机器人；整体规划；轨迹规划；Matlab；方案验证

纸箱套装是生产的重要流程之一，其质量的好坏、速度的快慢是影响生产效率的重要因素。随着生产要求的不断提高，传统装箱过程中资源浪费严重、工作效率低下等问题日益凸显，机器人纸箱套装系统应运而生。套装机器人是典型的机电一体化产品[1]。在实际工作中，为了有效延长机器人寿命，要尽可能避免机器人速度、加速度、位移的突变，保证运动轨迹曲线的平滑[2―3]，因此要对机器人进行轨迹规划，即对机器人运动路径、轨迹进行描述，实时求解出机器人运动的速度、加速度和位移，从而生成运动轨迹[4]。这里拟基于以上要求和实际情况，确定机器人纸箱套装系统轨迹点，在此基础上对机器人进行轨迹规划；借助Matlab对机器人进行轨迹仿真实验，将生成的曲线图与轨迹规划插值曲线图进行对比；用工业机器人实体进行试验，验证轨迹规划的正确性。

1机器人纸箱套装系统介绍

机器人纸箱套装系统主要由套箱机器人、辊筒输送机、定位液压缸、PLC控制柜等部分组成，机器人纸箱套装系统见图1。纸箱套装机器人是纸箱套装系统的核心部分，由工业机器人和安装在其末端的吸附式纸箱夹持机构组成。它的主要作用是在接收到套箱工作指令后，机器人各部分协同运动到达指定的位置，由纸箱夹持装置夹持纸箱，运动到待套装商品的上方，放下纸箱，完成套装工作。辊筒输送机上装有精确定位装置，利用红外线传感器监测待套装商品的位置，并与定位液压缸协同作业，确保待套装商品始终处于同一位置，方便机器人的重复定位[5]，提高工作准确率。机器人纸箱套装系统的工作流程为：系统开始运行→机器人运动至指定位置，夹起纸箱→待套装商品运输至指定位置→机器人运动至商品上方，开始套箱→完成一次套箱工作。

2纸箱套装系统的规划设计

2.1系统轨迹规划方法的确定

在确定轨迹方法时，应首先定义不同的坐标系以体现在空间中的机器人的位姿[6]。纸箱套装系统中定义的坐标系见图2，其中{B}为基坐标系，{S}为工作台坐标系，{T}为工具坐标系，{G}为目标坐标系。为了进行轨迹规划，需要将轨迹点位姿转换到机器人基坐标系{B}下，再通过工具坐标系{T}与各关节的变换关系，求出各关节旋转角度。

2.2c0→c1段轨迹规划

由于c0→c1段不需严格要求末端执行器在两点之间的几何路径，且两点间路径的各关节运动形式简单，故选择三次多项式进行插值计算[7―10]。

3轨迹规划的分析验证

3.1基于Matlab的轨迹规划合理性验证

3.1.1运动学建模

根据机器人的相关参数，调用RoboticsToolbox工具箱[13—14]中的link和robot函数分别创建机器人运动模型。

3.1.2c0→c1段轨迹规划分析验证

已知c0→c1这段轨迹的机器人各关节角度表达式如式（2）。3.1.3c2→c3→c4段轨迹规划分析验证该段采用圆弧插补算法进行笛卡尔空间轨迹的插补，在验证算法的正确性时，不仅需要对机器人末端的位置、姿态进行仿真，还需要对各关节角度进行仿真。对整段圆弧曲线的关节角度及姿态进行仿真时，需要分成c2→c3，c3→c42段进行，已知c2，c3，c4各关节的角度值，根据速度限制及各关节变化量，求各关节变换时间，取最大值。设定c2→c3和c3→c4这2段轨迹的运行时间分别为0.2和0.4s。

3.2基于ER20-C10机器人的轨迹规划合理性验证

这里通过机器人的实际运动来验证夹持装置轨迹规划的合理性，其运动通过运行预先编制的程序来进行。选取套箱过程的几个关键点，对机器人进行手动操作，使夹持中心到达预先设定的位置。

4结语

设计了一套机器人纸箱套装系统，该系统对比传统人工套箱方式，能够大幅度提高工作效率，降低资源浪费和人工成本，有广泛的应用空间。这里以纸箱套装系统整体规划为前提，在确定了系统轨迹点后，针对不同的运动过程，实现了机器人在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划。借助Matlab中的RoboticsToolbox工具箱，构建了套箱机器人的模型，在此基础上对机器人进行仿真实验，并将结果与轨迹规划结果进行对比。另外，借助机器人实体进行了轨迹规划合理性验证。相关结果表明，机器人轨迹规划方法的选用合理，结果正确，该方法对工业机器人轨迹规划具有一定的参考意义。

作者：曹冲振；徐杰；姜鹏；许彤然；阚常凯 单位：山东科技大学