CN117754562A - 一种双臂共y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人搬运轨迹规划技术领域，公开了一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法及系统，该方法分析了从当前位置到目标位置的几种情况，将双臂共Y桁架机器人的搬运动作拆分为分步动作、直接动作、避让动作三个子动作。从当前位置运动到放置后的位置之间所有可能的路径使用搬运轨迹路径图来表示，采用第一设定算法确定搬运轨迹路径图中的最短路径，并根据最短路径的位置信息和第二设定算法进行轨迹规划得到搬运轨迹。这样，可以自动实现共Y轴桁架机器人的搬运路径规划，且效率较高。

Description

一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人搬运轨迹规划技术领域，尤其涉及一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法及系统。

背景技术

桁架机器人能够搬运物体，完成各种作业，桁架机器人改变了传统的物流方式，有效改善了作业环境，减少了人力劳动，推动了企业生产自动化的效率，目前，桁架机器人广泛采用1个臂进行作业，该方法具有价格低、抓取重量大、配置灵活等优点。现有的桁架机器人主要有单臂类型和共X轴类型两种，并没有共Y轴类型的桁架机器人和相应的搬运控制策略，由于双臂共Y轴桁架机器人的两个在Y轴上可能会存在干涉，因此在规划任务时，还需要考虑干涉检查和干涉避让的算法，现有的单臂和共X轴的控制策略将无法适用于双臂共Y轴桁架机器人，此外目前的桁架机器人控制器并没有处理工作空间有干涉时的情况。因此，亟需提供一种效率高的双臂共Y轴机器人的搬运规划方法。

发明内容

本发明提供了一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法及系统，以解决现有技术中的共Y轴机器人的搬运规划方法缺乏且效率低下的问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

第一方面，一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，应用于双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划系统，双臂共Y轴桁架机器人两个臂在Z和绕Z轴旋转两个自由度各自独有，X和Y两个自由度两个臂共用，方法包括：

S1：将双臂共Y轴桁架机器人从起始位置到目标位置的搬运动作拆分为分步动作、直接动作、避让动作三个子动作，规划双臂共Y轴桁架机器人从起始位置使用三个子动作到预抓取位置的轨迹；

S2：根据轨迹构建双臂共Y轴桁架机器人的抓取路径图和放置路径图；

S3：根据抓取路径图和放置路径图构建出完整的搬运轨迹路径图；

S4：采用第一设定算法确定搬运轨迹路径图中的最短路径，并根据最短路径的位置信息和第二设定算法进行轨迹规划得到搬运轨迹。

第二方面，本申请提供一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

有益效果

本发明提供的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，分析了从当前位置到目标位置的几种情况，将双臂共Y桁架机器人的搬运动作拆分为分步动作、直接动作、避让动作三个子动作。从当前位置运动到放置后的位置之间所有可能的路径使用搬运轨迹路径图来表示，采用第一设定算法确定搬运轨迹路径图中的最短路径，并根据最短路径的位置信息和第二设定算法进行轨迹规划得到搬运轨迹。这样，可以自动实现共Y轴桁架机器人的搬运路径规划，且效率较高。

在进一步的方案中，考虑存在干涉的情况形成路径图，可以根据任务的类型找出从起始位置到放置完成位置的一条最优路径，从而完成任务，提高了双臂共Y轴桁架机器人搬运任务的成功率。

附图说明

图1为桁架机器人的抓取示意图；

图2为桁架机器人的放置示意图；

图3为本发明优选实施例的一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法流程图；

图4为本发明优选实施例的双臂任务在X轴方向存在干涉的示意图；

图5为本发明优选实施例的双臂在Y轴方向位置接近的示意图；

图6为本发明优选实施例的 双臂在Y轴方向存在交叉的示意图；

图7为本发明优选实施例的直接动作路径示意图；

图8为本发明优选实施例的分步动作轨迹示意图；

图9为本发明优选实施例的避让接近动作轨迹示意图；

图10为本发明优选实施例的避让交叉动作轨迹示意图；

图11为本发明优选实施例的避让点计算流程图；

图12为本发明优选实施例的搬运路径图；

图13为本发明优选实施例的搬运策略的流程图。

实施方式

下面对本发明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。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

应理解，桁架机器人的搬运过程可以分为抓取和放置两个步骤，抓取和放置轨迹在X-Z平面的示意图分别如图1和图2所示。为了方便表达，本申请中，将抓取和放置统称为“动作“，从图1-2中可以看出搬运和放置过程都是从当前位置移动到动作位置上方，然后向下移动到动作位置，接着再回到动作位置上方。二者路径的几何形状相似，因此抓取和放置的轨迹可以使用同一套规划策略。

双臂共Y桁架机器人的两个臂在Z和Rz（绕Z轴旋转）两个自由度是各自独有的，X和Y两个自由度是两个臂共用的，因此在考虑干涉时，主要考虑X和Y两个自由度。基于此，本申请提供一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法。

请参见图3，本申请提供的一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，应用于双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划系统，双臂共Y轴桁架机器人两个臂在Z和绕Z轴旋转两个自由度各自独有，X和Y两个自由度两个臂共用，方法包括：

S1：将双臂共Y轴桁架机器人从起始位置到目标位置的搬运动作拆分为分步动作、直接动作、避让动作三个子动作，规划双臂共Y轴桁架机器人从起始位置使用三个子动作到预抓取位置的轨迹；

S2：根据轨迹构建双臂共Y轴桁架机器人的抓取路径图和放置路径图；

S3：根据抓取路径图和放置路径图构建出完整的搬运轨迹路径图；

S4：采用第一设定算法确定搬运轨迹路径图中的最短路径，并根据最短路径的位置信息和第二设定算法进行轨迹规划得到搬运轨迹。

在该实施例中，第一设定算法可以是dijkstra算法，第二设定算法可以是S型轨迹规划算法。

上述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，分析了从当前位置到目标位置的几种情况，将双臂共Y桁架机器人的搬运动作拆分为分步动作、直接动作、避让动作三个子动作。从当前位置运动到放置后的位置之间所有可能的路径使用搬运轨迹路径图来表示，采用第一设定算法确定搬运轨迹路径图中的最短路径，并根据最短路径的位置信息和第二设定算法进行轨迹规划得到搬运轨迹。这样，可以自动实现共Y轴桁架机器人的搬运路径规划，且效率较高。

下面，对上述的方法步骤进行详细描述如下：

当双臂任务的X坐标不一致的情况，如图4所示，双臂在X方向存在干涉，此时两个臂需要按照先后顺序完成任务。即，一个先移动到其X坐标执行任务，等任务完成后，另一个臂再移动到其X坐标执行任务。

需要说明的是，双臂在Y轴方向的冲突有两种类型，一种是双臂在Y方向的位置小于安全距离，也就是双臂位置在Y轴方向很接近，如图5所示；一种是双臂在Y轴方向会有交叉，如图6所示。

把X轴和Y轴的冲突进行组合后，可以得出双臂的冲突类型如表 1所示：

表 1双臂的冲突类型

	Y轴无冲突（y）	Y轴接近（y'）	Y轴交叉（y’’）
				X轴相等（x）	xy	xy’	xy’’
X轴不相等（x’）	x’y	x’y’	x’y’’

对于xy类型的任务，可以采用图7所示的路径进行移动。此时双臂目标位置的X坐标相等，Y轴方向不存在干涉，因此双臂可以直接从当前运动到目标位置。

对于x’y类型的任务，双臂任务的X坐标不一致，Y轴方向不存在冲突，因此可以采用图8所示的分步动作轨迹，让一个臂先移动到其目标位置，等其完成任务后，另一个臂再移动到目标位置。

对于xy’和x’y’类型的任务，双臂在Y方向的位置很接近，此时可以采用避让动作（接近）轨迹，如图9所示。先选出一个优先执行动作的臂，让该臂移动到目标位置，另一个臂处于避让状态，等任务完成后，让避让的臂移动到目标位置执行任务，优先执行动作的臂处于避让状态。

对于xy’’和x’y’’类型的任务，双臂的在Y方向存在交叉，此时可以采用避让动作（交叉）轨迹，如图 10所示。其思想是选出一个优先执行动作的，另一个臂处于避让状态，等任务完成后，两个臂交换状态。

避让（接近）动作和避让（交叉）动作的不同点在于先执行动作的臂的选择策略不同。避让（接近）动作优先选择关节剩余的可活动范围较大的臂先执行任务。避让（交叉）动作优先选择当前位置和目标位置距离较近的点的对应的臂。

假如#1臂先执行动作，则#2臂处于避让状态，此时#2臂的避让方向是Y轴的正方向。#1臂完成任务后处于避让状态，则此时的避让方向是Y轴负方向。得知避让方向后，就可以按照图11所示的方法计算出两个避让点。

具体地，确定在任务类型对应的情况下的优先动作的臂和后动作的臂，并根据该先后顺序确定两个避让点的避让方向；

计算第一避让位置和第二避让位置，并分别判断所述第一避让位置和所述第二避让位置是否超出关节限位，若超出关节限位则结束该流程，若没有超出关节限位，则进一步判断是否存在干涉，若没有存在干涉，则得到第一避让点和第二避让点，若存在干涉，则重新计算第一避让位置和第二避让位置。

具体地，计算第一避让位置和第二避让位置时，先给定一个避让的初始位置，然后计算第一避让位置，最后更新避让初始位置。因此避让位置的计算方式如下：

初始避让位置=0；

第一避让位置=避让初始位置+避让方向*避让步长；

避让初始位置=第一避让位置；

其中，第二避让位置的计算方式与第一避让位置的计算方式一致，此处，不做赘述。

因此当双臂桁架机器人控制器接收到一个任务后，从当前位置运动到放置后的位置之间所有可能的路径可以使用一个图结构来表示，如图12所示，由于避让（接近）动作和避让（交叉）动作只是选择优先执行动作的臂的策略不一样，而且两种任务类型不可能同时存在，因此在构建路径图时，把避让（接近）动作和避让（交叉）动作合并为避让动作。其中起始位置顶点保存着双臂的起始位置信息；放置完成位置保存着双臂放置完成的位置信息；分步抓取、分步放置分别保存着使用分步动作进行抓取或者放置的位置点信息；直接抓取、直接放置、避让抓取、避让放置也同理。两个顶点之间路径的长度用来表示顶点间的权重，如果顶点之间的轨迹存在干涉，则权重为无穷大。

在控制器接受到任务后，为了规划出从起始位置到放置完成位置之间的一条无干涉并且距离最短的路径，需要先构建出路径图，然后根据最短路径搜索算法找出最短路径，最后进行轨迹规划。整个搬运策略的整体流程如图13所示。

在一完整示例中，上述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法具体步骤如下：

规划从起始位置使用分步抓取、直接抓取动作、避让抓取动作到预抓取位置的轨迹，然后对三种抓取路径的轨迹进行干涉检查。如果轨迹没有干涉，则返回路径的长度作为两个顶点的权重；如果轨迹有干涉，则返回正无穷大作为两个顶点之间的权重。至此已经构建完起始位置到分步抓取、直接抓取、避让抓取的路径图。接着开始构建抓取位置到放置位置的路径图。

根据起始位置到三个抓取动作顶点之间的权重，来决定是否要构建后续的放置路径。以起始位置到分步抓取为例：如果起始位置到分步抓取之间没有干涉，也就是权重不等于正无穷大时，则开始规划从分步抓取到分步放置、直接放置、避让放置之间的轨迹，并对这三种轨迹进行干涉检查，如果没有干涉，则权重就是路径长度，如果有干涉，则权重为无穷大。如果起始位置到分步抓取之间有干涉，则无需构建后续的放置路径图。直接抓取和避让抓取也是同理。至此已经构建完放置路径图。

最后分别检查分步放置、直接放置、避让放置到其所有父节点的权重是否均为正无穷大。如果均为正无穷大，表示从任意一种抓取动作到该放置动作的路径都存在干涉，则该顶点到放置完成的位置之间的权重为正无穷大；反之，该顶点到放置完成的位置之间的权重为0。至此已经全部构建出完整的搬运轨迹路径图。

根据搬运轨迹路径图可以使用dijkstra算法找出从起始位置到放置完成的位置之间的最短路径，此时找出的这条路径就是一条从起点到终点之间没有干涉并且距离最短的路径。

使用dijkstra算法找出的最短路径的位置信息和S型轨迹规划算法就可以规划出一条完整的搬运轨迹，接着把轨迹实时地发送给机器人关节伺服驱动器便可以完成搬运动作。

本申请还提供一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。该双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划系统可以实现上述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，应用于双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划系统，所述双臂共Y轴桁架机器人两个臂在Z和绕Z轴旋转两个自由度各自独有，X和Y两个自由度两个臂共用，其特征在于，所述方法包括：

S1：将双臂共Y轴桁架机器人从起始位置到目标位置的搬运动作拆分为分步动作、直接动作、避让动作三个子动作，规划双臂共Y轴桁架机器人从起始位置使用三个子动作到预抓取位置的轨迹；

S2：根据所述轨迹构建双臂共Y轴桁架机器人的抓取路径图和放置路径图；

S3：根据所述抓取路径图和放置路径图构建出完整的搬运轨迹路径图；

S4：采用第一设定算法确定所述搬运轨迹路径图中的最短路径，并根据所述最短路径的位置信息和第二设定算法进行轨迹规划得到搬运轨迹。

2.根据权利要求1所述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，其特征在于，所述S2中根据所述轨迹构建双臂共Y轴桁架机器人的抓取路径图，包括：

将轨迹涉及的位置视为一个顶点，判断三种轨迹上是否存在干涉，如果轨迹上没有存在干涉，则返回路径的长度作为两个顶点的权重，如果轨迹上存在干涉，则返回正无穷大作为两个顶点之间的权重，根据权重和各顶点得到抓取路径图。

3.根据权利要求2所述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，其特征在于，所述S2中根据所述轨迹构建双臂共Y轴桁架机器人的放置路径图包括：

判断起始位置与目标顶点之间的权重，若权重不等于正无穷大时，开始规划从分步抓取到分步放置、直接放置、避让放置之间的轨迹，并对这三种轨迹进行干涉检查，如果没有干涉，则权重就是路径长度，如果有干涉，则权重为无穷大；

如果起始位置到目标顶点之间有干涉，则无需构建后续的放置路径图，其中，目标顶点为分步抓取、直接抓取、避让抓取动作对应的顶点；

根据权重和各顶点得到抓取路径图。

4.根据权利要求2所述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，其特征在于，所述S3包括：

分别检查分步放置、直接放置、避让放置到其所有父节点的权重是否均为正无穷大，如果均为正无穷大，表示从任意一种抓取动作到该放置动作的路径都存在干涉，则该顶点到放置完成的位置之间的权重为正无穷大；反之，该顶点到放置完成的位置之间的权重为0，根据抓取路径图、放置路径图和权重得到完整的搬运轨迹路径图。

5.根据权利要求1所述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，其特征在于，所述S2中构建路径图时，还包括如下步骤：

获取双臂共Y轴桁架机器人的任务类型；

根据任务类型确定避让动作，所述避让动作包括避让接近动作和避让交叉动作；

确定每一避让动作对应的避让方式；

根据所述避让方式确定路径。

6.根据权利要求5所述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，其特征在于，所述任务类型包括X轴相等且Y轴无冲突、X轴相等且Y轴接近、X轴相等且Y轴交叉、X轴不相等且Y轴无冲突、X轴不相等且Y轴接近、X轴不相等且Y轴交叉。

7.根据权利要求6所述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，其特征在于，所述确定每一避让动作对应的避让方式，包括：

确定在任务类型对应的情况下的优先动作的臂和后动作的臂，并根据该先后顺序确定两个避让点的避让方向；

计算第一避让位置和第二避让位置，并分别判断所述第一避让位置和所述第二避让位置是否超出关节限位，若超出关节限位则结束该流程，若没有超出关节限位，则进一步判断是否存在干涉，若没有存在干涉，则得到第一避让点和第二避让点，若存在干涉，则重新计算第一避让位置和第二避让位置。

8.根据权利要求7所述的双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划方法，其特征在于，计算第一避让位置和第二避让位置的计算方式如下：

第一避让位置=避让初始位置+避让方向*避让步长；

第二避让位置=避让初始位置+避让方向*避让步长。

9.一种双臂共Y轴桁架机器人搬运轨迹规划系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至8中任一所述方法的步骤。