CN107671856A - 一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法，首先构建空间坐标系；设置垛件码放工艺；控制所述机械臂获取所述取件点位置，规划从所述取件点到用户选取的路径点的第一阶段路径；控制所述机械臂从所述取件位抓取垛件后由所述第一阶段路径运动到所述过渡点；读取所述码放工艺得到所述垛件的置件位，规划从所述过渡点到所述置件位的第二阶段路径；控制所述机械臂从所述第二阶段路径运动到所述置件点，并按照所述码放工艺将所述垛件放置在所述置件点上。本发明还提供一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置，有效防止在机械臂抓取垛件的移动过程中碰撞障碍物，提高码垛工作的安全性，还能提高路径规划的灵活性，并且提高机械臂的工作精度。

Description

一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法和装置

技术领域

本发明涉及机械臂的控制领域，尤其涉及一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法和装置。

背景技术

搬运和码垛作业在现代企业的物流管理中占有重要地位。在码垛工作中，码垛安全性尤为重要。现有技术中对码垛机械臂的路径规划一般是从取件位置将垛件提起，并经过直线移动后在置件位置将所述垛件放下。现有的路径规划方法由于在路径上缺少弯折，容易与路径上的障碍物产生摩擦甚至碰撞，造成码垛工作的安全性受到影响。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于空间坐标系的机械臂工作路径规划方法，能有效防止在机械臂抓取垛件的移动过程中碰撞障碍物，提高码垛工作的安全性，还能提高路径规划的灵活性，提高机械臂的工作精度。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于机械臂的路径规划方法，包括步骤：

S1、设置所述码放区域的垛件码放工艺；

S2、控制所述机械臂获取所述取件点位置，根据从所述取件点到用户选取的路径点规划第一阶段路径；

S3、控制所述机械臂从所述取件位抓取垛件，并经过所述第一阶段路径运动到所述过渡点；

S4、读取所述码放工艺得到所述垛件的置件位，根据从所述过渡点到所述置件位规划第二阶段路径；

S5、控制所述机械臂从所述第二阶段路径运动到所述置件点，并按照所述码放工艺将所述垛件放置在所述置件点上。

作为上述方案的改进，所述步骤S1包括：

S11、控制所述机械臂运动到托盘的一角之后，将所述机械臂的位置记录为原点；

S12、控制所述机械臂根据从所述原点出发并沿所述托盘的一边运动，将所述机械臂沿所述一边的运动方向记录为X轴正方向；

S13、控制所述机械臂根据从所述原点出发并沿所述一边的邻边运动，将所述机械臂沿所述邻边的运动方向记录为Y轴正方向；

S14、读取所述X轴正方向矢量和所述Y轴正方向矢量，根据右手螺旋法则得到Z轴正方向矢量。

作为上述方案的改进，所述步骤S3具体包括：

S31、控制所述机械臂运动到取件位置，记录所述取件位置为取件点；

S32、控制所述机械臂运动到用户选取的路径点，记录所述路径点的位置为过渡点，计算从所述取件点到所述过渡点的路径，并将所述路径记录为第一阶段路径。

作为上述方案的改进，用户选取的所述路径点的数量大于等于一个。

作为上述方案的改进，记录的用户选取的多个所述路径点包括所述路径点的位置和顺序。

作为上述方案的改进，所述步骤S5具体包括：

S51、读取已码放垛件数量和所述码放工艺，计算所述垛件在所述托盘上应码放的位置，记为置件点；

S52、计算从所述过渡点到所述置件点的路径，将所述路径记录为第二阶段路径。

作为上述方案的改进，通过记录空间坐标的形式来记录所述置件点。

作为上述方案的改进，所述码放工艺包括垛件的码放姿态、码放位置和码放次序。

作为上述方案的改进，步骤S6还包括在放置所述垛件前对所述垛件的姿态进行调整。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法，首先构建所述空间坐标系，然后基于所述空间坐标系的坐标设置托盘上垛件的码放工艺，然后确定取件点并选取过渡点，根据所述取件点和所述过渡点规划第一阶段路径。在所述机械臂抓取所述垛件并根据所述第一阶段路径移动到所述过渡点时，根据所述码放工艺确定所述垛件的置件点，根据所述过渡点和所述置件点规划第二阶段路径，并将所述垛件根据所述第二阶段路径移动到所述置件点放置。规划了以所述取件点为起点，经过所述过渡点，并以所述置件点为终点的工作路径，不仅可以防止在机械臂抓取垛件的移动过程中碰撞障碍物，提高码垛工作的安全性，还通过用户选取所述过渡点来提高路径规划的灵活性，并且在所述空间坐标系的辅助下提高了机械臂的工作精度。

本发明实施例还提供了一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置，包括坐标系构建模块，用于构建空间坐标系；工艺设置模块，用于控制垛件码放工艺的设置；第一规划模块，用于规划所述第一阶段路径；第二规划模块，用于规划所述第二阶段路径；码垛控制模块，用于控制所述机械臂根据预设的码放工艺进行码垛工作。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置，由所述坐标系构建模块构建空间坐标系，由工艺设置模块基于所述空间坐标系设置托盘上垛件的码放工艺。第一规划模块确定取件点并获取过渡点，根据所述取件点和所述过渡点规划第一阶段路径。码垛控制模块控制所述机械臂抓取所述垛件并根据所述第一阶段路径移动到所述过渡点。第二规划模块根据所述码放工艺确定所述垛件的置件点，根据所述过渡点和所述置件点规划第二阶段路径。所述码垛控制模块控制所述机械臂将所述垛件根据所述第二阶段路径移动到所述置件点放置。规划了以所述取件点为起点，经过所述过渡点，并以所述置件点为终点的工作路径，不仅可以防止在机械臂抓取垛件的移动过程中碰撞障碍物，提高码垛工作的安全性，还通过用户选取所述过渡点来提高路径规划的灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法的流程图。

图2是本发明实施例中一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法步骤S1的流程图。

图3是本发明实施例中一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法步骤S3的流程图。

图4是本发明实施例中一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法步骤S5的流程图。

图5是本发明实施例中一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法，所述机械臂为多关节机械臂，包括取件部和运动部。所述取件部用于取放垛件，所述取件部取得所述垛件的方式包括但不限于夹取、托取和吸取；所述运动部包括多个关节联动，用于带动所述机械臂的取件部实现三维位移。所述机械臂将所述垛件码放到托盘上，所述托盘为码垛用托盘，承载面为方形，包括但不限于平板托盘、柱式托盘和箱式托盘。

参见图1至图4，本发明实施例提供的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法包括步骤：

S1、构建空间坐标系。具体地，步骤S1包括：

S11、控制所述机械臂运动到托盘的一角之后，将所述机械臂的位置记录为原点。

具体地，控制所述机械臂的运动部进行运动，由所述机械臂的运动部带动所述机械臂的取件部移动到所述托盘的一角。根据所述机械臂的所述取件部处在所述托盘的一角时，所述机械臂的姿态信息，确定所述托盘的一角的位置信息，并记录为空间坐标系的原点。在其他情况下，也可以是所述机械臂除了所述取件部之外的部位运动到所述托盘的一角，也可以通过机器视觉或距离感应等方法确定所述托盘的一角的位置信息，不影响发明取得的有益效果。

S12、控制所述机械臂根据从所述原点出发并沿所述托盘的一边运动，将所述机械臂沿所述一边的运动方向记录为X轴正方向。

具体地，控制所述机械臂的运动部进行运动，由所述机械臂的运动部带动所述机械臂的取件部从所述托盘的一角，即所述空间坐标系的原点出发，沿着所述托盘的一边进行单向移动。通过所述机械臂的姿态变化获取所述取件部的进行的所述单向移动的移动方向，得到单位矢量X，将所述单位矢量X记录为所述空间坐标系的X轴正方向。在其他情况下，也可以是所述机械臂除了所述取件部之外的部位进行所述单向移动，也可以通过机器视觉或距离感应等方法获取所述单向移动的路径和方向，不影响本发明取得的有益效果。

S13、控制所述机械臂根据从所述原点出发并沿所述一边的邻边运动，将所述机械臂沿所述邻边的运动方向记录为Y轴正方向。

具体地，控制所述机械臂的运动部进行运动，由所述机械臂的运动部带动所述机械臂的取件部从沿所述托盘的所述一边返回，即沿所述空间坐标系的X轴负方向返回到所述原点。然后再次从所述原点出发，沿着所述邻边进行单向移动。通过所述机械臂的姿态变化获取所述取件部的沿所述邻边的单向移动的移动方向，得到单位矢量Y，将沿所述单位矢量Y记录为所述空间坐标系的Y轴正方向。在其他情况下，也可以是所述机械臂除了所述取件部之外的部位进行所述单向移动，也可以通过机器视觉或距离感应等方法获取沿所述邻边的单向移动的路径和方向，不影响本发明取得的有益效果。

S14、读取所述X轴正方向矢量和所述Y轴正方向矢量，根据右手螺旋法则得到Z轴正方向矢量。

具体地，读取步骤S2记录的所述X轴正方向，得到所述单位矢量X；读取步骤S3记录的所述Y轴正方向，得到单位矢量Y。将所述单位矢量X和所述单位矢量Y进行矢量运算：X*Y＝Z，得到单位矢量Z。将所述单位矢量Z的方向记录为所述空间坐标系的所述Z轴正方向。根据所述原点的位置、所述X轴正方向、所述Y轴正方向和所述Z轴正方向构建并储存所述空间坐标系。

S2、设置所述码放区域的垛件码放工艺。

具体地，读取码放区域的面积和形状数据，结合单个所述垛件码放在所述码放区域上的占用面积和形状数据，计算出所述码放区域可承载的所述垛件的单层最大数量。通过启发式算法，如蚁群算法或近似算法等，也可以通过穷举法，在满足所述码放区域单层码放的所述垛件的数量等于所述单层最大数量的条件下，计算出将多个所述垛件码放在所述码放区域上的姿态和位置，并为多个所述垛件添加任意的码放顺序，将多个所述垛件的所述姿态、所述位置和所述码放顺序的组合记录为码放工艺。

S3、控制所述机械臂获取所述取件点位置，根据从所述取件点到用户选取的路径点规划第一阶段路径。步骤S3包括：

S31、控制所述机械臂的取件部运动到取件位置，记录所述取件位置为取件点。

在本步骤中，为了方便描述，假设所述垛件通过流水线而被运送到所述取件位置，从而被所述机械臂的取件部夹取，在其他情况下，所述垛件也可以是堆放在特定区域，不影响本发明取得的有益效果。所述取件位置表现为空间坐标系的坐标A(x1，y1，z1)，所述坐标A为取件点坐标。

S32、控制所述机械臂的取件部运动到用户选取的路径点，记录所述路径点的位置为过渡点，计算从所述取件点到所述过渡点的路径。

具体地，控制所述机械臂的取件部从所述取件点直线运动到用户选取的第一位置，将所述第一位置的空间坐标系坐标B1(x2，y2，z2)记录为第一过渡点坐标B1；再控制所述机械臂的取件部从所述第一过渡点运动到用户选取的第二位置，将所述第二位置的空间坐标系坐标B2(x3，y3，z3)记录为第二过渡点坐标B2。读取所述取件点坐标A，计算所述取件点坐标A到所述第一过渡点坐标B1的路径，得到第一路径矢量AB1；读取所述第二过渡点坐标B2，计算所述第一过渡点坐标B1到所述第二过渡点坐标B2的路径，得到第二路径矢量B1B2。选取过渡点的目的在于，将所述机械臂的取件部从所述取件位到所述托盘之间的路径从直线转换为多折线，以回避在所述取件位和所述垛件的码放位置之间可能存在的障碍物，如流水线的护栏或箱式托盘的边框等，确保所述垛件能够经过所述路径，安全到达预定的码放位置。在其他情况下，所述过渡点的数量可以是更多或更少，不影响本发明取得的有益效果。

S4、控制所述机械臂的取件部从所述取件位抓取垛件，并经过步骤S3得到的所述路径移动到所述过渡点。

在本步骤中，控制所述机械臂的取件部抓取所述垛件，并从所述取件点开始运动。控制所述机械臂的取件部从所述取件点出发，循所述第一路径矢量AB1移动到所述第一过渡点，再循所述第二路径矢量B1B2移动到第二过渡点。

S5、读取所述码放工艺得到所述垛件的置件位，根据从所述过渡点到所述置件位规划第二阶段路径。具体地，步骤S4还包括：

S51、读取已码放垛件数量和所述码放工艺，计算所述垛件在所述托盘上应码放的位置，记为置件点；

S52、计算从所述过渡点到所述置件点的路径，将所述路径记录为第二阶段路径。

为方便描述，在此假定当前抓取的所述垛件为所述托盘上的第一个垛件。

读取所述已码放垛件数量，得到所述已码放垛件数量为0，确定当前抓取的所述垛件在所述托盘上的所述码放顺序为1号。读取所述码放工艺，即读取步骤S1中设定的码放在所述托盘上的多个所述垛件的所述姿态、所述位置和所述码放顺序，得到当前抓取的所述垛件对应的1号码放顺序、1号位置和1号姿态。将所述1号位置的坐标C(x4，y4，z5)记录为置件点坐标C。读取所述第二过渡点坐标B2，即所述机械臂的取件部的当前坐标(x3，y3，z3)，计算从所述第二过渡点坐标B2到所述置件点坐标C的路径，得到第三路径矢量B2C。

S6、控制所述机械臂的取件部经过步骤S5得到的所述路径移动到所述置件点，并根据所述码放工艺放置当前抓取的所述垛件。

控制所述机械臂的取件部从所述第二过渡点出发，循所述第三路径矢量B2C移动到所述置件点，并从所述码放工艺中读取所述1号姿态；同时根据所述1号姿态控制所述取件部调整当前抓取的所述垛件的姿态。所述机械臂的取件部移动到所述置件点后，将当前抓取的所述垛件放置在所述托盘上，完成当前抓取的所述垛件的码放工作。

本发明实施例提供的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法，首先构建所述空间坐标系，然后基于所述空间坐标系的坐标设置托盘上垛件的码放工艺，然后确定取件点并选取过渡点，根据所述取件点和所述过渡点规划第一阶段路径。在所述机械臂抓取所述垛件并根据所述第一阶段路径移动到所述过渡点时，根据所述码放工艺确定所述垛件的置件点，根据所述过渡点和所述置件点规划第二阶段路径，并将所述垛件根据所述第二阶段路径移动到所述置件点放置。规划了以所述取件点为起点，经过所述过渡点，并以所述置件点为终点的工作路径，不仅可以防止在机械臂抓取垛件的移动过程中碰撞障碍物，提高码垛工作的安全性，还通过用户选取所述过渡点来提高路径规划的灵活性，并且在所述空间坐标系的辅助下提高了机械臂的工作精度。

参见图5，本发明实施例还提供了一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置1，包括坐标系构建模块15，用于构建空间坐标系；工艺设置模块11，用于控制垛件码放工艺的设置；第一规划模块12，用于规划所述第一阶段路径；第二规划模块13，用于规划所述第二阶段路径；码垛控制模块14，用于控制所述机械臂根据预设的码放工艺进行码垛工作。

本发明实施例提供的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置各个模块的工作原理及过程可参考上述实施例的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法，在此不做赘述。

本发明实施例提供的一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置，由所述坐标系构建模块构建空间坐标系，由工艺设置模块基于所述空间坐标系设置托盘上垛件的码放工艺。第一规划模块确定取件点并获取过渡点，根据所述取件点和所述过渡点规划第一阶段路径。码垛控制模块控制所述机械臂抓取所述垛件并根据所述第一阶段路径移动到所述过渡点。第二规划模块根据所述码放工艺确定所述垛件的置件点，根据所述过渡点和所述置件点规划第二阶段路径。所述码垛控制模块控制所述机械臂将所述垛件根据所述第二阶段路径移动到所述置件点放置。规划了以所述取件点为起点，经过所述过渡点，并以所述置件点为终点的工作路径，不仅可以防止在机械臂抓取垛件的移动过程中碰撞障碍物，提高码垛工作的安全性，还通过用户选取所述过渡点来提高路径规划的灵活性，并且在所述空间坐标系的辅助下提高了机械臂的工作精度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于空间坐标系的机械臂路径规划方法，其特征在于，包括步骤：

S1、构建空间坐标系；

S2、设置码放区域的垛件码放工艺；

S3、控制所述机械臂获取所述取件点位置，根据从所述取件点到用户选取的路径点规划第一阶段路径；

S4、控制所述机械臂从所述取件位抓取垛件，并经过所述第一阶段路径运动到所述过渡点；

S5、读取所述码放工艺得到所述垛件的置件位，根据从所述过渡点到所述置件位规划第二阶段路径；

S6、控制所述机械臂从所述第二阶段路径运动到所述置件点，并按照所述码放工艺将所述垛件放置在所述置件点上。

2.如权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、控制所述机械臂运动到托盘的一角之后，将所述机械臂的位置记录为原点；

S12、控制所述机械臂根据从所述原点出发并沿所述托盘的一边运动，将所述机械臂沿所述一边的运动方向记录为X轴正方向；

S13、控制所述机械臂根据从所述原点出发并沿所述一边的邻边运动，将所述机械臂沿所述邻边的运动方向记录为Y轴正方向；

S14、读取所述X轴正方向矢量和所述Y轴正方向矢量，根据右手螺旋法则得到Z轴正方向矢量。

3.如权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、控制所述机械臂运动到取件位置，记录所述取件位置为取件点；

S32、控制所述机械臂运动到用户选取的路径点，记录所述路径点的位置为过渡点，计算从所述取件点到所述过渡点的路径，并将所述路径记录为第一阶段路径。

4.如权利要求3所述的路径规划方法，其特征在于，用户选取的所述路径点的数量大于等于一个。

5.如权利要求4所述的路径规划方法，其特征在于，记录的用户选取的多个所述路径点包括所述路径点的位置和顺序。

6.如权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

S51、读取已码放垛件数量和所述码放工艺，计算所述垛件在所述托盘上应码放的位置，记为置件点；

S52、计算从所述过渡点到所述置件点的路径，将所述路径记录为第二阶段路径。

7.如权利要求6所述的路径规划方法，其特征在于，通过记录空间坐标的形式来记录所述置件点。

8.如权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述码放工艺包括垛件的码放姿态、码放位置和码放次序。

9.如权利要求8所述的路径规划方法，其特征在于，步骤S6还包括在放置所述垛件前对所述垛件的姿态进行调整。

10.一种基于空间坐标系的机械臂路径规划装置，其特征在于，包括：

坐标系构建模块，用于构建空间坐标系；

工艺设置模块，用于控制垛件码放工艺的设置；

第一规划模块，用于规划所述第一阶段路径；

第二规划模块，用于规划所述第二阶段路径；

码垛控制模块，用于控制所述机械臂根据预设的码放工艺进行码垛工作。