四自由度码垛机器人性能优化方法

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1、山东科学第２４卷第２期２０１１年４月出版ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ．２４Ｎｏ．２Ａｐｒ．２０１１文章编号：１００２４０２６（２０１１）０２００７５０３四自由度码垛机器人性能优化方法李向东，郅健斌，刘广亮，张艳芳，刘成业，李倩（山东省科学院自动化研究所，山东济南２５００１４）摘要：码垛机器人是自动化车间最常用的工业机器人之一，合理的现场布置方案和控制方法可以有效地提升码垛机器人的运行性能，提高生产效率。本文主要从基于最优路径的现场布置方法和基于平均速度的控制逻辑两个方面对四自由度码垛机器人性能优化方法进行

2、了研究。关键词：码垛机器人；现场布置方案；控制逻辑；优化方法中图分类号：ＴＰ２４２．２文献标识码：ＢＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｏｆａ４ＤＯＦｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔＬＩＸｉａｎｇｄｏｎｇ，ＺＨＩＪｉａｎｂｉｎ，ＬＩＵＧｕａｎｇｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＹａｎｆａｎｇ，ＬＩＵＣｈｅｎｇｙｅ，ＬＩＱｉａｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｊｉｎａｎ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ∶Ａｐａｌｌｅｔｉｚ

3、ｉｎｇｒｏｂｏｔｉｓａｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｒｏｂｏｔｉｎａｎａｕｔｏｍａｔｉｏｎｗｏｒｋｓｈｏｐ．Ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅａｎｄｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｕｃｈａｒｏｂｏｔ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｄｄｒｅｓｓｅｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｏｆ４ＤＯＦｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔｆｒ

4、ｏｍｏｐｔｉｍａｌｐａｔｈｂａｓｅｄｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅａｎｄａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｂａｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ∶ｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔ；ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｏｇｉｃ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈ１空间结构与功能码垛机器人是自动化车间最常用的工业机器人之一。通常装配于生产线末端，将产品由生产线搬运到码垛托盘，按照既定的要求对产品［１］进行堆垛。码垛机器人空间布置如图１所示。包括基座旋转、水平移动、垂直移动和端拾器旋转四个自由度。机器人

5、空间运动范围构成一圆柱形空间，在此将基座旋转轴定义为轴Ｂ，水平移动轴定义为轴Ｘ，垂直移动轴图１四自由度码垛机器人空间结构图定义为轴Ｙ，端拾器旋转轴定义为轴Ｐ。机器人水平与垂直移动通过连Ｆｉｇ．１４ＤＯＦｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔｓｐａｃｅ杆机构传递到机器人前端的端拾器，且确保端拾器始终保持水平。故ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ四自由度码垛机器人坐标可以用Ｍ（ｒ，θ，ｚ，α）形式表示，其中ｒ代表Ｘ收稿日期：２０１０１１０８基金项目：山东省科技攻关项目（２０１０ＧＧＸ１０４３０）作者简介：李向东（１９７６－），男，高级工程

6、师，专业方向：机器人技术、智能控制。７６山东科学２０１１年轴的位移量，θ代表Ｂ轴旋转角度，ｚ代表Ｙ轴位移量，α代表Ｐ轴旋转角度。２现场布置方案的优化码垛机器人现场布置得到合理规划才可以使机器人运行接近额定性能参数。现就选取垂直方向的布置方案进行一下分析，如图２所示。图中Ｈ代表输送线高度，ｘ为托盘高度，ｈ为垛层高度，假如Ｈ取ｘ的值作为输送线高度，则Ｙ轴的单步运行高度的最大值取值即为ｈ，如果按照如图所示布置方案即输送线高度处于货物垛层（不包括托盘）的中心高度即：Ｈ＝ｘ＋ｈ／２图２码垛机器人Ｙ轴合理布置方案如果设Ｈ高度为柱面

7、坐标系Ｙ轴零点，则Ｆｉｇ．２Ｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔｄｏｐｌｏｙｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅ＋ｚ＝ｈ／２－ｚ＝－ｈ／２＋ｚ－（－ｚ）＝ｈ｜＋ｚ｜＝｜－ｚ｜＝ｈ／２（＋ｚ为Ｙ轴正向最大值，－ｚ为负向最大值）由此可看出图示布置方案可使Ｙ轴的单步最大运动路程最小，从而在相同速度下Ｙ轴单步运行所需时间最短。其他各轴布置方案亦是如此，在此不再赘述。如果想进一步提高此码垛机器人性能只需将电机转速控制在电机额定转速附近即可。下面通过优化控制逻辑来提高电机转速，使每台电机转速尽量接近额定转速，从而进一步提高码垛机器人性能。３控制逻辑的

8、优化［２］码垛机器人一个重要指标是单位时间的产量即Ｎ次／小时。交流伺服电机为恒转矩输出，即在其额定转速（一般为２０００ｒ／ｍｉｎ或３０００ｒ／ｍｉｎ）以内，都能输出恒定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。所以合［３］理选择控制逻辑可以使伺服电机工作于额定转速附近。码垛机器人配置可达到８００次／小时的生产效率时，有两种控制逻辑可供选择