四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其特征是首先按D-H法分别建立待评价各四自由度码垛机器人的坐标系，在坐标系中通过四自由度码垛机器人的实际工作空间与矩形任务空间的对比确定其是否能够达到预期基本要求；利用四自由度码垛机器人实际工作空间的空间利用率H、左侧轮廓线斜率绝对值K以及形心偏移率e对四自由度码垛机器人的工作空间合理程度进行量化评价。本发明方法可以在设定的矩形任务空间的条件下直观、快速地判断给定的实际工作空间的合理程度，为四自由度码垛机器人的选型提供参考，对四自由度码垛机器人的结构设计有指导意义。
【专利说明】四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有四自由度码垛机器人的工作空间合理程度的量化评价方法。
【背景技术】
[0002] 工作空间是码垛机器人的一项重要属性，反映了码垛机器人的工作范围。在对码 垛机器人进行结构设计时，工程师通常首先根据用户提出的矩形任务空间对码垛机器人进 行设计，使码垛机器人的工作空间可以完全包含要求的矩形任务空间。工作空间是否合理 直接影响码垛机器人的整体性能和码垛机器人的生产、使用成本。
[0003] 针对四自由度码垛机器人的工作空间的研究，李金泉等人编著的《码垛机器人机 械结构与控制系统设计》中采用数值方法对TH50码垛机器人的工作空间进行了求解分析， 并提出了机器人工作空间影响系数的概念。朱素霞的《IRB660型码垛机器人的运动学与动 力学分析》中分析了 IRB660机器人的结构参数对工作空间的影响并计算了相应的影响系 数°张良安的〈〈Layout analysis and path planning of a robot palletizing production line》从生产线布置方面对工作空间进行了分析。
[0004] 上述关于四自由度码垛机器人工作空间的研究，都是围绕码垛机器人结构参数变 化对其工作空间几何特征的影响进行分析。但是迄今为止，尚未见对四自由度码垛机器人 工作空间合理程度进行量化分析评价的方法，因此，在以往针对该类型码垛机器人工作空 间进行优化设计时只能进行定性的评价和优化，而无法对该类型码垛机器人的工作空间进 行量化的优化设计。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足，提供一种四自由度码垛机器人工 作空间合理程度的量化评价方法，对于给定的多个四自由度码垛机器人，针对用户提出的 矩形任务空间，分析各码垛机器人的实际工作空间的几何特征判断各实际工作空间的合理 程度。通过对各四自由度码垛机器人的实际工作空间与矩形任务空间进行对比分析，量化 评价各实际工作空间的合理程度，为四自由度码垛机器人的选型和优化设计提供参考。
[0006] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：
[0007] 本发明四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法的特点是按如下 步骤进行：
[0008] 按D-H法分别建立待评价各四自由度码垛机器人的坐标系；
[0009] 取D-H坐标系下各四自由度码垛机器人在XOZ截面中的工作空间为对应四自由度 码垛机器人的实际工作空间，所述实际工作空间是由六段弧线围成的处在XOZ截面中的封 闭区域，所述六段弧线分别是第1段线、第2段线、第3段线、第4段线、第5段线和第6段 线；所述第1段线为实际工作空间的上方轮廓线，第2段线为实际工作空间的右侧轮廓线， 第3段线为实际工作空间的下方轮廓线，第4段线、第5段线和第6段线按自上而下依次联 接构成实际工作空间的左侧轮廓线；
[0010] 设定所述四自由度码垛机器人在所述XOZ截面中的任务空间为矩形任务空间，所 述矩形任务空间中相邻的两侧边分别平行于Z轴和X轴；
[0011] 针对设定的矩形任务空间，按如下步骤评价各四自由度码垛机器人的实际工作空 间的合理程度 ：
[0012] 步骤a、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，将各实际 工作空间与所述矩形任务空间逐一进行比较，排除不能完全包含矩形任务空间的实际工作 空间，对于能够完全包含矩形任务空间的实际工作空间按步骤b的方法进行比较；
[0013] 步骤b、记矩形任务空间面积为S、实际工作空间面积为Sw，以实际工作空间的 空间利用率H作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的评价指标，所述实际 工作空间的空间利用率H越大判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，
【权利要求】
1. 四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其特征是按如下步骤进 行： 按D-H法分别建立待评价各四自由度码垛机器人的坐标系； 取D-H坐标系下各四自由度码垛机器人在XOZ截面中的工作空间为对应四自由度码垛 机器人的实际工作空间，所述实际工作空间是由六段弧线围成的处在XOZ截面中的封闭区 域，所述六段弧线分别是第1段线、第2段线、第3段线、第4段线、第5段线和第6段线；所 述第1段线为实际工作空间的上方轮廓线，第2段线为实际工作空间的右侧轮廓线，第3段 线为实际工作空间的下方轮廓线，第4段线、第5段线和第6段线按自上而下依次联接构成 实际工作空间的左侧轮廓线； 设定所述四自由度码垛机器人在所述XOZ截面中的任务空间为矩形任务空间，所述矩 形任务空间中相邻的两侧边分别平行于Z轴和X轴； 针对设定的矩形任务空间，按如下步骤评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的 合理程度： 步骤a、在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向移动矩形任务空间，将各实际工 作空间与所述矩形任务空间逐一进行比较，排除不能完全包含矩形任务空间的实际工作空 间，对于能够完全包含矩形任务空间的实际工作空间按步骤b的方法进行比较； 步骤b、记矩形任务空间面积为实际工作空间面积为Sw，以实际工作空间的空 间利用率H作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的评价指标，所述实际 工作空间的空间利用率H越大判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理， //=Ix 100%,,
2. 根据权利要求1所述的四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其 特征是： 若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的空间利用率H均相等，则按以下方 式继续进行比较： 记实际工作空间中第4段线和第6段线的X轴方向最大值分别为maXX4、maxX6，所述最 大值HiaxX4和HiaxX6所在位置对应点的Z轴值分别为Z4和Z6，以实际工作空间的左侧轮廓 线斜率绝对值K作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第二评价指标，所述 实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K越大，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空 间越为合理，
3. 根据权利要求2所述的四自由度码垛机器人工作空间合理程度的量化评价方法，其 特征是： 若待评价各四自由度码垛机器人的实际工作空间的左侧轮廓线斜率绝对值K均相等， 则按如下方式继续进行比较： 将所述矩形任务空间在XOZ截面中按照平行于X轴和Z轴的方向进行移动，使得实 际工作空间与矩形任务空间的形心距离为形心距离最小值Dmin，以实际工作空间的形心 偏移率e作为四自由度码垛机器人的实际工作空间合理程度的第三评价指标，所述实际 工作空间的形心偏移率e越小，判断为四自由度码垛机器人的实际工作空间越为合理，
其中：1为矩形任务空间的宽度，h为矩形任务空间的高度。
【文档编号】G06F19/00GK104462838SQ201410790302
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】卢剑伟, 马树全, 燕培磊, 姜平, 谷先广, 吴勃夫, 胡金芳, 曹兴枫 申请人:合肥工业大学