一種六自由度機(jī)器人工位布局與運(yùn)動(dòng)時(shí)間協(xié)同優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)與生產(chǎn)線規(guī)劃領(lǐng)域，尤其是涉及一種六自由度機(jī)器人工位 布局與運(yùn)動(dòng)時(shí)間協(xié)同優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在生產(chǎn)線規(guī)劃完畢后，需要對工位進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)器人工位設(shè)計(jì)作為工位設(shè)計(jì)之中 一類難度較高的設(shè)計(jì)，其除了要考慮到設(shè)備布局之外還要考慮到機(jī)器人軌跡規(guī)劃。傳統(tǒng)的 機(jī)器人工位設(shè)計(jì)步驟是:一、工位工藝確定與設(shè)備選定。二、設(shè)備及機(jī)器人布局三、機(jī)器人軌 跡規(guī)劃。在企業(yè)中一般的機(jī)器人工位均可以采用上述方法進(jìn)行機(jī)器人工位的設(shè)計(jì)，而且在 軌跡規(guī)劃過程中僅靠現(xiàn)場示教編程就可以完成。但是，隨著機(jī)器人工位的復(fù)雜化以及設(shè)備 布局與機(jī)器人軌跡之間的相互影響，高效的機(jī)器人工位設(shè)計(jì)越來越困難。所以，有必要將機(jī) 器人動(dòng)作復(fù)雜，可能成為生產(chǎn)線中瓶頸的機(jī)器人工位做進(jìn)一步優(yōu)化。傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)方法 將設(shè)備布局與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃獨(dú)立考慮，實(shí)際現(xiàn)實(shí)中設(shè)備的布局與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡息息 相關(guān)，其影響著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)總時(shí)間。故本發(fā)明主要解決的問題就是如何通過同時(shí)優(yōu)化設(shè) 備布局與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡來盡量達(dá)到工位所花時(shí)間最少。
[0003] 涂膠機(jī)器人工位屬于機(jī)器人工位中的一種，隨著涂膠規(guī)劃的復(fù)雜，或者有些企業(yè) 為了節(jié)約成本以及提高設(shè)備利用率將一臺涂膠機(jī)器人共用于兩個(gè)工位，這就會(huì)存在工位操 作總時(shí)間進(jìn)一步優(yōu)化的需要。
[0004] 中國專利CN204338390U公開了一種涂膠機(jī)器人工作站，主要講述涂膠機(jī)器人工作 站的一類形式，具有結(jié)構(gòu)簡單，效率高，能完成曲面涂膠的優(yōu)點(diǎn)。中國專利CN102513268A公 開了一種涂膠機(jī)器人及其涂膠方法，描述一類新的涂膠機(jī)器人構(gòu)成，能夠識別車型，進(jìn)行自 動(dòng)涂膠。中國專利CN203816833U公開了一種涂膠機(jī)器人，提出一種新穎的涂膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)， 能很好地保證出料的清潔度從而不會(huì)因?yàn)槌隽峡诘挠嗄z而導(dǎo)致余膠膠型不合格影響裝配 質(zhì)量。中國專利CN201380143公開了小型智能涂膠機(jī)器人裝置，介紹一種自動(dòng)涂膠裝置，利 用圖像處理技術(shù)，得到各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)涂膠。以上專利采用六自由度機(jī) 器人手臂實(shí)現(xiàn)涂膠，但未考慮工位布局與涂膠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的協(xié)同優(yōu)化。
[0005] 中國專利CN101387888B公開了一種基于工進(jìn)制量子粒子群算法的移動(dòng)機(jī)器人路 徑規(guī)劃方法，特征是包含如下步驟:步驟一:把機(jī)器人簡化成一個(gè)點(diǎn)，并在二維空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)， 通過視覺系統(tǒng)能感知自己目前的位姿和障礙物的位置:步驟二:將機(jī)器人視覺系統(tǒng)感知到 的所有障礙物處理成凸多邊形:步驟三:將三維空間離散化為一系列的柵格，并對移動(dòng)機(jī)器 人在每一個(gè)柵格處的八個(gè)可能運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行二進(jìn)制編碼:步驟四：定義從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的 路徑的長短為該方法需要求解的目標(biāo)函數(shù):步驟五:針對機(jī)器人路徑規(guī)劃問題的離散特征， 利用工進(jìn)制量子粒子群算法對步驟四中的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行全軍局優(yōu)化以得到最優(yōu)的移動(dòng)機(jī) 器人路徑。該專利采用工進(jìn)制量子粒子群算法對移動(dòng)機(jī)器人的路徑進(jìn)行規(guī)劃，不涉及機(jī)械 臂軌跡與工位布局的內(nèi)容。
[0006] 中國專利CN102662399A公開了一種面向多目標(biāo)的水果采摘機(jī)器人的路徑優(yōu)化方 法，包括以下步驟：（1)采用三點(diǎn)三步法對六自由度水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的坐標(biāo)系進(jìn) 行標(biāo)定；（2)通過六自由度水果采摘機(jī)器人的機(jī)械手末端執(zhí)行器攝像頭動(dòng)態(tài)采集整個(gè)果樹 樹冠的圖像，并得到多個(gè)水果中心位置的三維坐標(biāo)；（3)將所述水果中心位置的三維坐標(biāo)視 為樹冠圖像的頂點(diǎn)，并構(gòu)造出一個(gè)無方向的連接圖，采用哈密爾頓圖形法實(shí)現(xiàn)六自由度水 果采摘機(jī)器人路徑的優(yōu)化；（4)快速搜索出哈密爾頓圖中的一個(gè)關(guān)于所有所述頂點(diǎn)的排列。 該專利優(yōu)化六自由度水果采摘機(jī)器人路徑，使六自由度水果采摘機(jī)器人在最短的時(shí)間內(nèi)， 采摘到最多的水果，但水果位置是不確定的，與工作站的工位可調(diào)整設(shè)計(jì)的情況不同，因此 該專利方法并不適用于工位布局優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種六自由度機(jī)器 人工位布局與運(yùn)動(dòng)時(shí)間協(xié)同優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)器人工位的優(yōu)化，大大提高了機(jī)器 人工作效率。
[0008] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種六自由度機(jī)器人工位布局與運(yùn)動(dòng)時(shí)間協(xié)同優(yōu)化方法，用于控制六自由度機(jī)器 人的末端執(zhí)行器從起點(diǎn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)設(shè)備，包括以下步驟：
[0010] S1:建立以六自由度機(jī)器人為原點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)系，同時(shí)對六自由度機(jī)器人進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；
[0011] S2:根據(jù)六自由度機(jī)器人、起點(diǎn)設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備的物理場景建立工位布局與運(yùn)動(dòng) 時(shí)間的協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，所述協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件，所述目標(biāo)函 數(shù)Z滿足Z=mintz，tz表示六自由度機(jī)器人的末端執(zhí)行器從起點(diǎn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)設(shè)備所用時(shí) 間，所述時(shí)間t z通過基于運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短的軌跡規(guī)劃和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程由起點(diǎn)設(shè)備和目標(biāo) 設(shè)備的坐標(biāo)獲得，所述約束條件由物理場景決定；
[0012] S3:在空間直角坐標(biāo)系內(nèi)，以時(shí)間tz為PS0(Particle Swarm Optimization，粒子 群優(yōu)化)算法的適應(yīng)度，以起點(diǎn)設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備的工位布局為PS0算法的粒子，基于PS0算法 得到協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解以及最優(yōu)解對應(yīng)的工位布局。
[0013] 所述步驟S1中采用D-Η參數(shù)法對六自由度機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。
[0014] 所述約束條件包括設(shè)備不重疊約束、可達(dá)性約束和工位約束；
[0015] 所述設(shè)備不重疊約束規(guī)定起點(diǎn)設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備不重疊，且起點(diǎn)設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備之 間保持設(shè)定的最小間距；
[0016] 所述可達(dá)性約束保證六自由度機(jī)器人能到達(dá)起點(diǎn)設(shè)備、目標(biāo)設(shè)備以及從起點(diǎn)設(shè)備 到目標(biāo)設(shè)備的整個(gè)軌跡；
[0017] 所述工位約束規(guī)定工位布局滿足預(yù)設(shè)的工位設(shè)計(jì)規(guī)則。
[0018] 滿足設(shè)備不重疊約束的公式如下：
[0019] Aij · Bij = 0
[0020]
[0021]
[0022]式中，下標(biāo)i表示起點(diǎn)設(shè)備，下標(biāo)j表示目標(biāo)設(shè)備，dx, ^表示起點(diǎn)設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備在 X軸方向上的最小間距，dy^表示起點(diǎn)設(shè)備與目標(biāo)設(shè)備在Y軸方向上的最小間距，^表示起點(diǎn) 設(shè)備在X軸方向上的長度，wi表示起點(diǎn)設(shè)備在Y軸方向上的長度，lj表示目標(biāo)設(shè)備在X軸方向 上的長度，表示目標(biāo)設(shè)備在Y軸方向上的長度， Xl表示起點(diǎn)設(shè)備的中心在空間直角坐標(biāo)系 中的X軸坐標(biāo)，71表示起點(diǎn)設(shè)備的中心在空間直角坐標(biāo)系中的γ軸坐標(biāo)， x謙示目標(biāo)設(shè)備的中 心在空間直角坐標(biāo)系中的X軸坐標(biāo)，yj表示目標(biāo)設(shè)備的中心在空間直角坐標(biāo)系中的Y軸坐 標(biāo)。
[0023]所述步驟S3具體為：
[0024] 31:隨機(jī)生成N個(gè)粒子，并初始化個(gè)體極值pbestn、全局極值gbest和最大迭代次 數(shù)，生成的粒子滿足以下公式：
[0025]
[0026]
[0027] 式中，下標(biāo)η表示第η個(gè)粒子，下標(biāo)i表示起點(diǎn)設(shè)備，下標(biāo)j表示目標(biāo)設(shè)備，if表示第k 次迭代中第η個(gè)粒子表示第k次迭代中第n個(gè)粒子對應(yīng)起點(diǎn)設(shè)備的X軸坐標(biāo)，表示第 k 次迭代中第η個(gè)粒子對應(yīng)起點(diǎn)設(shè)備的Y軸坐標(biāo)，*1.表示第k次迭代中第η個(gè)粒子對應(yīng)目標(biāo)設(shè) 備的X軸坐標(biāo)，表示第k次迭代中第η個(gè)粒子對應(yīng)目標(biāo)設(shè)備的Υ軸坐標(biāo)，??表示第k次迭代 中第η個(gè)粒子的速度， v表示第k次迭代中第η個(gè)粒子對應(yīng)起點(diǎn)設(shè)備在X軸方向上的移動(dòng)速 度，表示第k次迭代中第η個(gè)粒子對應(yīng)起點(diǎn)設(shè)備在Υ軸方向上的移動(dòng)速度，表示第k 次迭代中第η個(gè)粒子對應(yīng)目標(biāo)設(shè)備在X軸方向上的移動(dòng)速度，表示第k次迭代中第η個(gè)粒 子對應(yīng)目標(biāo)設(shè)備在Υ軸方向上的移動(dòng)速度；
[0028] 32:每個(gè)粒子以各自對應(yīng)的六自由度機(jī)器人的末端執(zhí)行器從起點(diǎn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)到目標(biāo) 設(shè)備所用時(shí)間t z為自身的適應(yīng)度，通過迭代，每個(gè)粒子跟蹤個(gè)體極值pbesU和全局極值 gbest來更新自身；
[0029] 33:輸出全局極值gbest對應(yīng)的粒子為最優(yōu)工位布局，最優(yōu)工位布局下的時(shí)間tz為 最短運(yùn)動(dòng)時(shí)間。
[0030] 所述步驟32具體為：
[0031] 321:在第k次迭代中，驗(yàn)證第η個(gè)粒子是否滿足約束條件，若是，執(zhí)行步驟322,若 否，執(zhí)行步驟323;
[0032] 322:獲取每個(gè)粒子對應(yīng)六自由度機(jī)器人的末端執(zhí)行器從起點(diǎn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)設(shè) 備所用時(shí)間tz，令tz, n = Sn，tz, η表示第η個(gè)粒子對應(yīng)的時(shí)間tz，Sn表示第η個(gè)粒子的適應(yīng)度，執(zhí) 行步驟324，
[0033] 323:直接賦值第η個(gè)粒子有極大的適應(yīng)度，8卩Sn= %，執(zhí)行步驟324;
[0034] 324:判斷Sn是否小于pbestn和gbest的數(shù)值，若是，則更新pbestn和gbest的數(shù)值， 執(zhí)行步驟325，若否，直接執(zhí)行步驟325;
[0035] 325:根據(jù)pbestn和gbest的數(shù)值更新第η個(gè)粒子的位置與速度；
[0036] 326:判斷迭代次數(shù)k是否達(dá)到最大迭代數(shù)，若是，結(jié)束迭代，若否，跳轉(zhuǎn)步驟321。
[0037] 所述步驟325中第η個(gè)粒子的位置與速度的更新滿足以下公式：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] A Τ，W731員?王儀里，ci、C273宇 >」囚卞，ri、背丁 UJ、1)，|日」的腿機(jī)數(shù)。
[0047] 基于運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短的軌跡規(guī)劃和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程由起點(diǎn)設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備的坐 標(biāo)獲得時(shí)間tz的方法包括以下步驟：
[0048] 1)以正弦函數(shù)擬合六自由度機(jī)器人的三角波運(yùn)動(dòng)控制模型和梯形波運(yùn)動(dòng)控制模 型，獲取三角波運(yùn)動(dòng)控制模型和梯形波運(yùn)動(dòng)控制模型相互轉(zhuǎn)換的臨界關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度9g〇,滿 足以下公式：
[0049]
[0050]式中，ag,max表示第g個(gè)關(guān)節(jié)的最大加速度，c〇g, max表示第g個(gè)