一种基于路径规划的上下料机器人控制方法

技术领域

本发明涉及上下料机器人控制技术领域，具体为一种基于路径规划的上下料机器人控制方法。

背景技术

数控机床作为制造系统中重要的组成部分，它的应用极大地提高了产品生产地效率和质量，而随着科技的发展，由机器人代替人完成机床上下料作业是该领域的发展趋势。将机器人的控制系统和机床的生产系统相结合有效地提高了生产效率、保证了产品质量，同时也避免了人身伤害。高质量的轨迹规划方案保证了机器人运动路径的平滑、稳定，这不仅使得机器人可以准确完成作业任务，还可以保证良好的运动平稳性和较小的机械磨损，避免对加工零件的损坏，智能机器人在工厂生产场景的应用备受关注。

如公开号为CN112550521A的专利公开了一种智慧工厂的智能上下料机器人，用于在工厂内运输料框，包括通信模块、控制模块、底座、安装于底座下方的驱动轮、安装于底座侧面的激光扫描传感器、超声波传感器和3D相机，以及安装于底座上方的料架和支架，所述的支架设置于料架上，用于放置控制终端，所述的料架内开设多个凹槽，用于放置料框，所述的凹槽与料框底部形状配合，所述的通信模块和控制模块分别设置于底座内部，所述的通信模块与控制终端连接，所述的控制模块分别与激光扫描传感器、超声波传感器和3D相机连接，与现有技术相比，本发明具有结构简单、灵活高效等优点。

目前现有的上下料机器人在使用过程中，对于高精度的作业需求，就需要引入更高阶多项式、样条曲线等，但在机械加工中复杂的生产环境以及机器人上下料阶段存在零件的磨损问题等，容易导致上下料机器人在运动过程中因加速度突变引起震动和冲击，从而使机器人在上下料作业运动中的平稳性差。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于路径规划的上下料机器人控制方法。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于路径规划的上下料机器人控制方法，包括以下步骤：

S1、对规划的移动路径进行预处理

针对上下料机器人的外部几何特征，计算出上下料机器人运动过程中与周围障碍物的安全距离，在移动路径上以障碍物的边界点为中心、以安全距离为扩张半径形成圆形范围设置安全范围，并对其安全范围进行标记，然后针对上下料机器人移动路径进行路径设计，获得参考移动路径。

S2、获取上下料机器人的参数信息

针对上下料机器人的结构，获得上下料机器人的D-H参数信息，得到上下料机器人连杆和关节的参数信息，参数信息包括：关节角、连杆偏距、连杆长度和连杆扭角。

S3、获得初始路径

建立邻接矩阵，针对邻接矩阵对参考移动路径进行路径求解，得到初始路径。

S4、上下料机器人轨迹规划

机器人上料阶段采用五次多项式进行关节空间中上料轨迹规划，对关节加速度进行约束，计算个点的关节角、关节角速度、关节角加速度，机器人下料阶段，在运动路径上设置抬高点和降落点两个中间点，即设机器人的抓取点为A、抬高点为B、降落点为C、放置点位D，从A到B、C到D为机器人做上升或下降的垂直运动，只有机器人末端执行器的Z轴坐标发生变化，其各点对应的各关节角通过机器人逆运动学求解，BC段是机器人下料阶段的主要部分，对其使用七次多项式插值进行轨迹规划，并对关节加速度进行约束，计算个点的关节角、关节角速度、关节角加速度。

S5、完善路径规划

对初始路径进行优化，并对初始路径进行邻域扩张，获得扩张路径，将扩张路径进行分段，得到n个分段路径，针对每个所述分段路径分别进行优化，将优化后的所述分段路径进行拼接，获得优化后的完整路径，并确定的机器人各关节角位移，确定上下料机器人的运动轨迹。

S6、上下料机器人控制运行

智能上下料机器人处于待命区待命，当接收智能上料任务，智能上下料机器人移动至物料区领取物料，智能上下料机器人领料确认后，移动至上板位置进行上料，智能上下料机器人上料确认后，将空框带回物料区，并移动至待命区待命，当接收智能下料任务，上下料机器人移动至下料区，对其成品进行下料，下料完成后回到待命区进行待命。

优选的，所述S1中安全范围进行标记的内容包括对上下料机器人外部几何特征，计算上下料机器人的安全距离，并计算安全范围。

优选的，所述安全范围进行标记的内容包括还包括识别参考移动路径上障碍物的所有边界点，并获取每个障碍物的一个边界点的坐标，以障碍物的边界点为中心设置的圆形安全范围。

优选的，所述S5中分段包括以下内容，确定每个所述分段路径的分段长度cd，检索所述初始路径上的各个路径点。

优选的，所述分段还包括获取每个所述分段路径中所有路径点的坐标，分别针对每个所述分段路径，计算坐标点中横向坐标与纵向坐标的最小值和最大值。

优选的，所述S5中需要设置所述分段路径的坐标矩阵，并删除每个所述分段路径上的冗余点，获得进一步优化后的分段路径。

优选的，所述分段路径中需要分别记录每个分段路径中每个路径点的坐标，获取每个路径点在参考移动路径中的坐标位置并记录。

优选的，所述分段路径上的路径点坐标依次放入路径坐标矩阵中，完成分段路径的拼接。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于路径规划的上下料机器人控制方法，具备以下有益效果：

该一种基于路径规划的上下料机器人控制方法，通过对上下料机器人的进行移动路径设计，规避掉路径过程中的障碍物，能够保证上下料机器人运动安全性的移动机器人路径规划方案，降低了移动路径制作的难度与复杂度通过对移动路径进行预处理，设置安全距离，保证了移动机器人的运动安全性，并提高了方案的运行效率，并同时针对上下料机器人各点的关节角、关节角速度、关节角加速进行轨迹设计，得到的轨迹平滑度更高、冲击较小，进而保证了轨迹的精度，从而提高了机器人上下料的定位精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明流程示意图。

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。

如图1所示，本发明提供了一种基于路径规划的上下料机器人控制方法，包括以下步骤：

S1、对规划的移动路径进行预处理

针对上下料机器人的外部几何特征，计算出上下料机器人运动过程中与周围障碍物的安全距离，在移动路径上以障碍物的边界点为中心、以安全距离为扩张半径形成圆形范围设置安全范围，并对其安全范围进行标记，然后针对上下料机器人移动路径进行路径设计，获得参考移动路径，其中安全范围进行标记的内容包括对上下料机器人外部几何特征，计算上下料机器人的安全距离，并计算安全范围，安全范围进行标记的内容包括还包括识别参考移动路径上障碍物的所有边界点，并获取每个障碍物的一个边界点的坐标，以障碍物的边界点为中心设置的圆形安全范围。

S2、获取上下料机器人的参数信息

针对上下料机器人的结构，获得上下料机器人的D-H参数信息，得到上下料机器人连杆和关节的参数信息，参数信息包括：关节角、连杆偏距、连杆长度和连杆扭角。

S3、获得初始路径

建立邻接矩阵，针对邻接矩阵对参考移动路径进行路径求解，得到初始路径。

S4、上下料机器人轨迹规划

机器人上料阶段采用五次多项式进行关节空间中上料轨迹规划，对关节加速度进行约束，计算个点的关节角、关节角速度、关节角加速度，机器人下料阶段，在运动路径上设置抬高点和降落点两个中间点，即设机器人的抓取点为A、抬高点为B、降落点为C、放置点位D，从A到B、C到D为机器人做上升或下降的垂直运动，只有机器人末端执行器的Z轴坐标发生变化，其各点对应的各关节角通过机器人逆运动学求解，BC段是机器人下料阶段的主要部分，对其使用七次多项式插值进行轨迹规划，并对关节加速度进行约束，计算个点的关节角、关节角速度、关节角加速度。

S5、完善路径规划

对初始路径进行优化，并对初始路径进行邻域扩张，获得扩张路径，将扩张路径进行分段，得到n个分段路径，针对每个分段路径分别进行优化，将优化后的分段路径进行拼接，获得优化后的完整路径，并确定的机器人各关节角位移，确定上下料机器人的运动轨迹，其中分段包括以下内容，确定每个分段路径的分段长度cd，检索初始路径上的各个路径点，分段还包括获取每个分段路径中所有路径点的坐标，分别针对每个分段路径，计算坐标点中横向坐标与纵向坐标的最小值和最大值，需要设置分段路径的坐标矩阵，并删除每个分段路径上的冗余点，获得进一步优化后的分段路径。

分段路径中需要分别记录每个分段路径中每个路径点的坐标，获取每个路径点在参考移动路径中的坐标位置并记录，分段路径上的路径点坐标依次放入路径坐标矩阵中，完成分段路径的拼接。

S6、上下料机器人控制运行

智能上下料机器人处于待命区待命，当接收智能上料任务，智能上下料机器人移动至物料区领取物料，智能上下料机器人领料确认后，移动至上板位置进行上料，智能上下料机器人上料确认后，将空框带回物料区，并移动至待命区待命，当接收智能下料任务，上下料机器人移动至下料区，对其成品进行下料，下料完成后回到待命区进行待命。

在本实施例中，通过对上下料机器人的进行移动路径设计，规避掉路径过程中的障碍物，能够保证上下料机器人运动安全性的移动机器人路径规划方案，降低了移动路径制作的难度与复杂度通过对移动路径进行预处理，设置安全距离，保证了移动机器人的运动安全性，并提高了方案的运行效率，并同时针对上下料机器人各点的关节角、关节角速度、关节角加速进行轨迹设计，得到的轨迹平滑度更高、冲击较小，进而保证了轨迹的精度，从而提高了机器人上下料的定位精度。

下面具体说一下该一种基于路径规划的上下料机器人控制方法的工作原理。

如图1所示，使用时通过对上下料机器人的进行移动路径设计，规避掉路径过程中的障碍物，能够保证上下料机器人运动安全性的移动机器人路径规划方案，降低了移动路径制作的难度与复杂度通过对移动路径进行预处理，设置安全距离，保证了移动机器人的运动安全性，并提高了方案的运行效率，并同时针对上下料机器人各点的关节角、关节角速度、关节角加速进行轨迹设计，得到的轨迹平滑度更高、冲击较小，进而保证了轨迹的精度，从而提高了机器人上下料的定位精度。