作者简介
刘志峰
吉林大学
博士 教授 博导
研究方向为先进制造装备与制造工艺、机械动力学、机械传动、智能制造与机器人系统等
教育部“重大人才工程”特聘教授
中国工程院工业强基项目专家组成员
先后主持国家科技重大专项、国家“863”计划课题、国家自然科学基金等国家及省部级项目20余项
以第1完成人获北京市科技进步一等奖1项，以主要完成人获得其他省部级奖励6项
作者简介
杨聪彬
北京工业大学
博士 副教授 博导
研究方向为高端装备/零部件先进制造与智能化
北京市委组织部青年骨干人才计划
主持国家自然科学基金青年基金项目1项、国家重点研发计划子课题1项、各类博士后基金3项，参与国家重大科技专项等项目
北京市科学技术奖一等奖，高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）一等奖
裴艳虎,刘志峰,许静静,杨聪彬,郑继贵.面向操作可靠性提升的复合工业机器人运动规划 [J].制造技术与机床,2022(03):49-54.
DOI:10.19287/j.cnki.1005-2402.2022.03.008
面向操作可靠性提升的
复合工业机器人运动规划
裴艳虎①③ 刘志峰②③ 许静静①③ 杨聪彬①③ 郑继贵④
（①北京工业大学先进制造与智能技术研究所；②吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室；③北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室；④北京精密机电控制设备研究所）
摘 要
复合工业机器人的应用能够有效提升智能制造车间生产效率。而在其运动规划问题中,基于移动平台调整的机械臂初始站姿直接决定了目标任务是否能够可靠执行。为解决以上问题,提出一种考虑机械臂初始站姿的运动规划优化方法。基于前期基础,采用旋量描述和切片表征方法分别解决了复合工业机器人运动学建模和最小避障距离建模问题,为进行轨迹优化提供了模型基础;建立了最小化耗能当量和运动时间的运动规划优化模型,通过考虑初始站姿影响设计了包括移动运动参数、冗余关节角度和机械臂运动参数在内的混合优化变量集,同时考虑运动学约束和避障约束条件保证机械臂运动平稳性和安全性;结果表明,基于规划优化的复合工业机器人具有较高的操作可靠性。
复合工业机器人；运动规划优化；操作可靠性
导 语
目前，工业领域开放作业环境给机器人工作空间和灵活性提出了更高的要求，因此，移动装置与机械臂结合形成的复合工业机器人系统得到了初步发展，如图1所示，其工业应用成为实现开放环境下全自动化和智能化制造过程的重要路径。在该类应用中，当机器人面临复杂的作业环境或有限操作空间时，不合理的机械臂站姿会导致其无法避开障碍物到达目标点或无法跟踪目标轨迹，从而导致任务失败，降低系统操作可靠性。然而，当前学者们主要针对移动小车和固定式机械臂分别开展避障运动规划研究。在机械臂避障方面，多数研究旨在基于障碍与目标位姿信息，在关节空间或操作空间内搜索一条无碰撞运动轨迹。形成的方法主要有自由空间法、梯度投影法、人工势场法和其他智能优化算法等。相比而言，针对具有固定特征的复杂作业环境，采用智能优化算法进行离线轨迹优化的方法，如图2，能够更有效地保证机器人的综合操作性能。
图1 复合工业机器人系统
图2 机械臂关节空间轨迹优化方法
在避障运动规划中，机器人与操作空间的最短距离是检测碰撞发生及碰撞危险度的关键指标。已有研究主要采用凸多边体、层次包围盒和圆柱体等包络或引入切片理论进行机器人或障碍描述，其中基于切片理论的最小距离建模方法具有运算效率和估算精度高的优点。
为提升复合工业机器人操作可靠性，文中基于旋量理论建立复合工业机器人运动学模型，采用3阶s型曲线进行插值运算，采用基于切片的避障距离模型构建避障约束条件，同时考虑机器人运动学约束条件，以最小化耗能当量与运动时间为优化目标，构建复合工业机器人运动规划优化模型，并引入粒子群算法(PSO)进行优化求解。最后，通过仿真验证基于优化轨迹的复合工业机器人操作可靠性。
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