CN104462838A - 四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其特征是首先按D-H法分别建立待评价各四自由度码垛机器人的坐标系，在坐标系中通过四自由度码垛机器人的实际工作空间与矩形任务空间的对比确定其是否能够达到预期基本要求；利用四自由度码垛机器人实际工作空间的空间利用率H、左侧轮廓线斜率绝对值K以及形心偏移率e对四自由度码垛机器人的工作空间合理程度进行量化评价。本发明方法可以在设定的矩形任务空间的条件下直观、快速地判断给定的实际工作空间的合理程度，为四自由度码垛机器人的选型提供参考，对四自由度码垛机器人的结构设计有指导意义。

Description

四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法

技术领域

本发明涉及一种具有四自由度码垛机器人的工作空间合理程度的量化评价方法。

背景技术

工作空间是码垛机器人的一项重要属性，反映了码垛机器人的工作范围。在对码垛机器人进行结构设计时，工程师通常首先根据用户提出的矩形任务空间对码垛机器人进行设计，使码垛机器人的工作空间可以完全包含要求的矩形任务空间。工作空间是否合理直接影响码垛机器人的整体性能和码垛机器人的生产、使用成本。

针对四自由度码垛机器人的工作空间的研究，李金泉等人编著的《码垛机器人机械结构与控制系统设计》中采用数值方法对TH50码垛机器人的工作空间进行了求解分析，并提出了机器人工作空间影响系数的概念。朱素霞的《IRB660型码垛机器人的运动学与动力学分析》中分析了IRB660机器人的结构参数对工作空间的影响并计算了相应的影响系数。张良安的《Layout analysis and path planning of a robot palletizing production line》从生产线布置方面对工作空间进行了分析。

上述关于四自由度码垛机器人工作空间的研究，都是围绕码垛机器人结构参数变化对其工作空间几何特征的影响进行分析。但是迄今为止，尚未见对四自由度码垛机器人工作空间合理程度进行量化分析评价的方法，因此，在以往针对该类型码垛机器人工作空间进行优化设计时只能进行定性的评价和优化，而无法对该类型码垛机器人的工作空间进行量化的优化设计。

发明内容

本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足，提供一种四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，对于给定的多个四自由度码垛机器人，针对用户提出的矩形任务空间，分析各码垛机器人的实际工作空间的几何特征判断各实际工作空间的合理程度。通过对各四自由度码垛机器人的实际工作空间与矩形任务空间进行对比分析，量化评价各实际工作空间的合理程度，为四自由度码垛机器人的选型和优化设计提供参考。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法的特点是按如下步骤进行：

按D-H法分别建立待评价各四自由度码垛机器人的坐标系；

取D-H坐标系下各四自由度码垛机器人在XOZ截面中的工作空间为对应四自由度码垛机器人的实际工作空间，所述实际工作空间是由六段弧线围成的处在XOZ截面中的封闭区域，所述六段弧线分别是第1段线、第2段线、第3段线、第4段线、第5段线和第6段线；所述第1段线为实际工作空间的上方轮廓线，第2段线为实际工作空间的右侧轮廓线，第3段线为实际工作空间的下方轮廓线，第4段线、第5段线和第6段线按自上而下依次联接构成实际工作空间的左侧轮廓线；

设定所述四自由度码垛机器人在所述XOZ截面中的任务空间为矩形任务空间，所述矩形任务空间中相邻的两侧边分别平行于Z轴和X轴；

针对设定的矩形任务空间，按如下步骤评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的合理程度：

步骤a、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，将各实际工作空间与所述矩形任务空间逐一进行比较，排除不能完全包含矩形任务空间的实际工作空间，对于能够完全包含矩形任务空间的实际工作空间按步骤b的方法进行比较；

步骤b、记矩形任务空间面积为s_r、实际工作空间面积为s_w，以实际工作空间的空间利用率H作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的评价指标，所述实际工作空间的空间利用率H越大判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，

本发明四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法的特点也在于：

若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的空间利用率H均相等，则按以下方式继续进行比较：

记实际工作空间中第4段线和第6段线的X轴方向最大值分别为maxX₄、maxX₆，所述最大值maxX₄和maxX₆所在位置对应点的Z轴值分别为Z₄和Z₆，以实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第二评价指标，所述实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K越大，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理， $K=\left|\frac{Z_4-Z_6}{\max X_4-\max X_6}\right|.$

本发明四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法的特点还在于：

若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K均相等，则按如下方式继续进行比较：

将所述矩形任务空间在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向进行移动，使得实际工作空间与矩形任务空间的形心距离为形心距离最小值D_min，以实际工作空间的形心偏移率e作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第三评价指标，所述实际工作空间的形心偏移率e越小，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，

其中：l为矩形任务空间的宽度，h为矩形任务空间的高度。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法对算法要求较低，便于实现程序化。

2、本发明方法可以在设定的矩形任务空间的条件下直观、快速地判断给定的实际工作空间的合理程度，为四自由度码垛机器人的选型提供参考，对四自由度码垛机器人的结构设计有指导意义。

附图说明

图1为本发明中矩形任务空间边界轮廓线示意图；

图2A和图2B分别为本发明中实际工作空间1和实际工作空间2示意图；

图3A和图3B分别为本发明中以空间利用率判断不同的实际工作空间合理程度示意图；

图4A和图4B分别为本发明中实际工作空间3和实际工作空间4示意图；

图5A和图5B分别为本发明中以左侧轮廓线斜率绝对值判断不同实际工作空间合理程度示意图；

图6A和图6B分别为实际工作空间5和实际工作空间6示意图；

图7A和图7B分别为利用形心偏移率判断不同实际工作空间合理程度示意图；

具体实施方式

本发明中四自由度码垛机器人是指具有四个旋转关节的码垛机器人，四个旋转关节分别为绕垂直于水平面的轴线旋转的腰关节和腕关节、绕垂直于腰关节轴线的轴线旋转的肩关节和腕关节。

对于给定的多款同类型不同型号的码垛机器人，它们的对应杆件长度、关节旋转角度范围会有不同，导致不同型号码垛机器人的工作空间几何形状和尺寸不同。因此在针对用户指定的矩形任务空间时，不同型号码垛机器人的工作空间合理程度不同。

本实施例中四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法是按如下方式进行：

按D-H法分别建立待评价各四自由度码垛机器人的坐标系；具体为：坐标系原点O为四自由度码垛机器人腰关节、肩关节轴线的公垂线与腰关节轴线的交点，Z轴与腰关节轴线重合，方向竖直向上，X轴与腰关节、肩关节轴线的公垂线重合，从腰关节指向肩关节，Y轴按右手螺旋法则确定。

取D-H坐标系下各四自由度码垛机器人在XOZ截面中的工作空间为对应四自由度码垛机器人的实际工作空间，所述实际工作空间是由六段弧线围成的处在XOZ截面中的封闭区域，所述六段弧线分别是第1段线、第2段线、第3段线、第4段线、第5段线和第6段线；所述第1段线为实际工作空间的上方轮廓线，第2段线为实际工作空间的右侧轮廓线，第3段线为实际工作空间的下方轮廓线，第4段线、第5段线和第6段线按自上而下依次联接构成实际工作空间的左侧轮廓线。

设定所述四自由度码垛机器人在所述XOZ截面中的任务空间为矩形任务空间，所述矩形任务空间中相邻的两侧边分别平行于Z轴和X轴。

针对设定的矩形任务空间，按如下步骤评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的合理程度：

步骤a、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，将各实际工作空间与所述矩形任务空间逐一进行比较，排除不能完全包含矩形任务空间的实际工作空间，对于能够完全包含矩形任务空间的实际工作空间按步骤b的方法进行比较。

步骤b、记矩形任务空间面积为s_r、实际工作空间面积为s_w，以实际工作空间的空间利用率H作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的评价指标，所述实际工作空间的空间利用率H越大判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，

步骤c、若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的空间利用率H均相等，则按以下方式继续进行比较：

记实际工作空间中第4段线和第6段线的X轴方向最大值分别为maxX₄、maxX₆，所述最大值maxX₄和maxX₆所在位置对应点的Z轴值分别为Z₄和Z₆，以实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第二评价指标，所述实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K越大，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理， $K=\left|\frac{Z_4-Z_6}{\max X_4-\max X_6}\right|.$

步骤d、若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K均相等，则按如下方式继续进行比较：

将所述矩形任务空间在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向进行移动，使得实际工作空间与矩形任务空间的形心距离为形心距离最小值D_min，以实际工作空间的形心偏移率e作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第三评价指标，所述实际工作空间的形心偏移率e越小，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，

其中：l为矩形任务空间的宽度，h为矩形任务空间的高度。

实施例1：

当用户提出一个如图1中l＝1250mm,h＝1500mm的矩形任务空间要求，分别按D-H法对给定两个型号的四自由度码垛机器人建立坐标系。取该两个四自由度码垛机器人在坐标系中XOZ截面的工作空间为对应四自由度码垛机器人的实际工作空间1(图2A所示)和实际工作空间2(图2B所示)，具体实施中，也可以是取为坐标系中的YOZ截面。评价方法按如下步骤进行：

步骤1、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，分别将矩形任务空间的四个顶点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的坐标值与实际工作空间1、实际工作空间2对应的轮廓线上的离散点坐标值进行比较，通过比较可知实际工作空间1和实际工作空间2可以完全包含矩形任务空间。

步骤2、计算得知实际工作空间1的空间利用率为H＝62％，实际工作空间2的空间利用率为H＝51％，如图3A和图3B所示；由此可知，针对用户提出该矩形任务空间，实际工作空间1比实际工作空间2的空间利用率大，判断为实际工作空间1比实际工作空间2更合理。

实施例2：

当用户提出一个如图1中l＝1250mm,h＝1500mm的矩形任务空间要求，分别按D-H法对给定两个型号的四自由度码垛机器人建立坐标系，取该两个四自由度码垛机器人在坐标系中XOZ截面的工作空间为对应四自由度码垛机器人的实际工作空间3(如图4A所示)和实际工作空间4(如图4B所示)；评价方法按如下步骤进行：

步骤1、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，分别将矩形任务空间的四个顶点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的坐标值与实际工作空间3、实际工作空间4对应的轮廓线上的离散点坐标值进行比较，通过比较可知实际工作空间3和实际工作空间4可以完全包含矩形任务空间。

步骤2、计算得知实际工作空间3和实际工作空间4的空间利用率相等，均为H＝51％，如图5A和图5B所示。

步骤3、计算实际工作空间3的左侧轮廓线斜率绝对值K＝116.9111，实际工作空间4的左侧轮廓线斜率绝对值K＝4.0676；由此可知，针对用户提出该矩形任务空间，实际工作空间3比实际工作空间4的左侧轮廓线斜率绝对值大，判断为实际工作空间3比实际工作空间4更加合理。

实施例3：

当用户提出一个如图1中l＝1250mm,h＝1500mm的矩形任务空间要求，分别按D-H法对给定两个型号的四自由度码垛机器人建立坐标系。取该两个四自由度码垛机器人在坐标系中XOZ截面的工作空间为对应四自由度码垛机器人的实际工作空间5和实际工作空间6，如图6A和图6B所示；评价方法按如下步骤进行：

步骤1、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，分别将矩形任务空间的四个顶点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的坐标值与实际工作空间5、实际工作空间6对应的轮廓线上的离散点坐标值进行比较，通过比较可知实际工作空间5和实际工作空间6可以完全包含矩形任务空间。

步骤2、计算得知实际工作空间5和实际工作空间6的空间利用率相等，均为H＝62％，如图7A和图7B所示。

步骤3、计算得知实际工作空间5和实际工作空间6的左侧轮廓线斜率绝对值相等，均为K＝116.9111。

步骤4、记各实际工作空间的形心为o₁，矩形任务空间的形心为o₂，在各实际工作空间中将矩形任务空间按照平行于X轴和Z轴的方向进行移动，使得各实际工作空间与矩形任务空间的形心距离最小，计算实际工作空间5的形心偏移率为e＝0.0220，计算实际工作空间6的形心偏移率e＝0.1500；由此可知，针对用户提出该矩形任务空间，实际工作空间5比实际工作空间6的形心偏移率大，判断为实际工作空间5比实际工作空间6更加合理。

Claims (3)

1.四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其特征是按如下步骤进行：

按D-H法分别建立待评价各四自由度码垛机器人的坐标系；

取D-H坐标系下各四自由度码垛机器人在XOZ截面中的工作空间为对应四自由度码垛机器人的实际工作空间，所述实际工作空间是由六段弧线围成的处在XOZ截面中的封闭区域，所述六段弧线分别是第1段线、第2段线、第3段线、第4段线、第5段线和第6段线；所述第1段线为实际工作空间的上方轮廓线，第2段线为实际工作空间的右侧轮廓线，第3段线为实际工作空间的下方轮廓线，第4段线、第5段线和第6段线按自上而下依次联接构成实际工作空间的左侧轮廓线；

设定所述四自由度码垛机器人在所述XOZ截面中的任务空间为矩形任务空间，所述矩形任务空间中相邻的两侧边分别平行于Z轴和X轴；

针对设定的矩形任务空间，按如下步骤评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的合理程度：

步骤a、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，将各实际工作空间与所述矩形任务空间逐一进行比较，排除不能完全包含矩形任务空间的实际工作空间，对于能够完全包含矩形任务空间的实际工作空间按步骤b的方法进行比较；

步骤b、记矩形任务空间面积为s_r、实际工作空间面积为s_w，以实际工作空间的空间利用率H作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的评价指标，所述实际工作空间的空间利用率H越大判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，

2.根据权利要求1所述的四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其特征是：

若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的空间利用率H均相等，则按以下方式继续进行比较：

记实际工作空间中第4段线和第6段线的X轴方向最大值分别为maxX₄、maxX₆，所述最大值maxX₄和maxX₆所在位置对应点的Z轴值分别为Z₄和Z₆，以实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第二评价指标，所述实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K越大，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理， $K=\left|\frac{Z_4-Z_6}{\max X_4-\max X_6}\right|.$

3.根据权利要求2所述的四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其特征是：

若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K均相等，则按如下方式继续进行比较：

将所述矩形任务空间在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向进行移动，使得实际工作空间与矩形任务空间的形心距离为形心距离最小值D_min，以实际工作空间的形心偏移率e作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第三评价指标，所述实际工作空间的形心偏移率e越小，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，

其中：l为矩形任务空间的宽度，h为矩形任务空间的高度。