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基于贪心策略的直角坐标机器人动态分拣规划

陈林 毕树生 李大寨 林闯 欧阳铜

陈林, 毕树生, 李大寨, 等 . 基于贪心策略的直角坐标机器人动态分拣规划[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(5): 805-815. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0668
引用本文: 陈林, 毕树生, 李大寨, 等 . 基于贪心策略的直角坐标机器人动态分拣规划[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(5): 805-815. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0668
CHEN Lin, BI Shusheng, LI Dazhai, et al. Dynamic sorting planning of Cartesian robot based on greedy strategy[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(5): 805-815. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0668(in Chinese)
Citation: CHEN Lin, BI Shusheng, LI Dazhai, et al. Dynamic sorting planning of Cartesian robot based on greedy strategy[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(5): 805-815. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0668(in Chinese)

基于贪心策略的直角坐标机器人动态分拣规划

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0668
基金项目: 

国家自然科学基金 51675015

详细信息
    通讯作者:

    李大寨, E-mail: lidazhai@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: TP242.6

Dynamic sorting planning of Cartesian robot based on greedy strategy

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51675015

More Information
  • 摘要:

    针对直角坐标机器人在动态分拣过程中顺序规划算法效率低下的问题,提出了一种适用于机器人连续分拣作业的改进贪心策略规划算法。建立直角坐标机器人的运动学模型,确保物体被准确拾取。设计时间窗口,对传送带上的连续运动物体进行区域划分,并应用贪心策略对同一时间窗口内的物体规划分拣顺序。考虑物体存在分拣遗漏的风险,设计评价函数对贪心策略进行改进,增强了所提算法的实用性。设计模拟程序对所提算法进行仿真,并利用搭建的机器人平台开展分拣实验,验证了算法的可行性和有效性。实验表明:所提算法可在机器人实际分拣作业中规划出有效的分拣路径,平均分拣距离和分拣时间均小于顺序规划算法,提高了机器人对平面随机分布的连续运动物体的分拣效率,实时性好,实用性强,对机器人动态分拣场景下的分拣路径优化研究具有一定的指导意义。

     

  • 图 1  分拣机器人平台

    Figure 1.  Robotic sorting platform

    图 2  物体种类

    Figure 2.  Types of objects

    图 3  不同分拣顺序下的分拣距离对比

    Figure 3.  Comparison of sorting distances related to different sorting sequences

    图 4  分拣过程中物体位置的变化

    Figure 4.  Change of objects position during sorting

    图 5  连续物体区域划分

    Figure 5.  Dividing continuous objects into regions

    图 6  分拣物体选择

    Figure 6.  Selection of objects for sorting

    图 7  机器人分拣距离与时间关系

    Figure 7.  Relationship between robot sorting distance and time

    图 8  分拣仿真

    Figure 8.  Simulation of sorting

    图 9  不同传送带速率下物料标准分布分拣模拟结果

    Figure 9.  Simulated sorting result of standard position distribution of obejects with different conveyor speeds

    图 10  不同传送带速率下物料随机分布分拣模拟结果

    Figure 10.  Simulated sorting result of random position distribution of materials with different conveyor speeds

    图 11  物体摆放

    Figure 11.  Placement of materials

    图 12  连续物体分拣

    Figure 12.  Sorting of continuous materials

    表  1  直角坐标机器人D-H模型参数

    Table  1.   D-H model parameter of Cartesian robot

    关节序号i ai-1/mm αi-1/(°) di/mm θi/(°) 变量
    1 0 0 d1 0 d1
    2 0 -90 d2 -90 d2
    3 0 90 d3 0 d3
    4 0 0 0 θ4 θ4
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    表  2  分拣系统参数

    Table  2.   Parameters of sorting system

    参数 数值
    Xmax/mm +1 000
    Xmin/mm -1 000
    Tmin/ms 1 500
    收集箱数量 4
    传送带宽度/mm 1 200
    机器人工作空间/(mm×mm) 2 000×2 000
    机器人X轴运动速度/(mm·s-1) 2 000
    机器人Y轴运动速度/(mm·s-1) 2 000
    机器人Z轴运动速度/(mm·s-1) 1 800
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    表  3  物料标准分布分拣模拟结果

    Table  3.   Simulated sorting results of standard position distribution of materials

    传送带速率/ (mm·s-1) 算法 分拣数量 分拣顺序 总分拣时间/ms 总分拣行程/mm 平均分拣时间/ms 平均分拣行程/mm
    200 贪心策略 10 2-5-3-8-11-12-9-1-7-10 12 150 15 008 1 215 1 500
    顺序规划 9 1-2-3-4-5-6-7-8-9 11 370 18 144 1 263 2 016
    250 贪心策略 8 2-5-3-8-11-12-9-10 10 205 11 691 1 276 1 461
    顺序规划 8 1-2-3-4-5-6-7-9 11 308 14 826 1 414 1 853
    300 贪心策略 7 2-5-8-11-12-9-10 9 150 10 753 1 331 1 536
    顺序规划 6 1-2-3-4-5-6 9 315 12 914 1 553 2 152
    350 贪心策略 6 2-5-8-11-9-10 8 038 9 618 1 340 1 603
    顺序规划 5 1-2-3-4-5 7 875 11 213 1 575 2 243
    400 贪心策略 6 2-5-8-11-9-10 7 980 9 678 1 330 1 613
    顺序规划 5 1-2-3-4-9 7 550 10 749 1 510 2 150
    450 贪心策略 5 2-5-9-1-7 6 658 7 829 1 332 1 566
    顺序规划 4 1-2-3-5 6 655 10 443 1 664 2 611
    500 贪心策略 4 2-5-9-6 5 140 5 736 1 285 1 434
    顺序规划 4 1-2-3-9 6 400 9 893 1 600 2 473
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    表  4  物料随机分布分拣模拟结果

    Table  4.   Simulated sorting results of random position distribution of materials

    传送带速率/ (mm·s-1) 算法 分拣数量 分拣顺序 总分拣时间/ms 总分拣行程/mm 平均分拣时间/ms 平均分拣行程/mm
    200 贪心策略 11 2-4-5-10-8-6-3-1-9-12-11 15 220 18 757 1 384 1 705
    顺序规划 10 1-2-3-4-5-6-7-8-9-11 16 420 23 317 1 642 2 332
    250 贪心策略 9 2-4-5-10-8-6-3-7-12 12 257 14 798 1 362 1 644
    顺序规划 8 1-2-3-4-5-6-7-10 13 090 18 795 1 636 2 349
    300 贪心策略 8 2-4-5-10-8-6-11-12 11 015 13 172 1 379 1 647
    顺序规划 7 1-2-3-4-5-6-12 11 030 16 141 1 576 2 306
    350 贪心策略 7 2-4-5-10-6-9-12 9 745 11 792 1 392 1 684
    顺序规划 6 1-2-3-4-5-12 10 085 15 039 1 681 2 507
    400 贪心策略 6 2-4-6-3-10-12 8 570 10 728 1 428 1 788
    顺序规划 5 1-2-3-4-8 8 510 12 962 1 702 2 592
    450 贪心策略 4 1-2-3-4 6 700 10 056 1 675 2 514
    顺序规划 4 1-2-3-5 6 803 10 174 1 701 2 544
    500 贪心策略 5 2-10-8-6-12 6 825 8 403 1 365 1 681
    顺序规划 4 1-2-3-7 6 510 9 431 1 628 2 358
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    表  5  顺序规划算法与贪心策略规划算法实验结果

    Table  5.   Experimental results of sequence planning algorithm and greedy strategy planning algorithm

    次数 顺序规划算法 贪心策略规划算法
    分拣结果 平均分拣时间/ms 分拣结果 平均分拣时间/ms
    1 A1-A2-A6 2 195 A2-A4-A6 1 925
    2 A1-A2-A5 2 245 A2-A4-A6 1 960
    3 A1-A2-A5 2 275 A2-A4-A6 1 945
    均值 2 238 1 943
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    表  6  顺序规划算法与贪心策略规划算法分拣时间

    Table  6.   Time consumed by sequence planning algorithm and greedy strategy planning algorithm

    序号 耗时/ms
    贪心策略规划算法 顺序规划算法
    1 1 720 1 825
    2 1 810 2 150
    3 1 680 2 255
    4 1 540 2 065
    5 1 775 1 910
    6 1 620 2 255
    7 1 735 1 910
    8 1 630 1 785
    9 1 715 1 785
    10 1 760 1 775
    平均 1 698.5 1 971.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-30
  • 录用日期:  2021-03-05
  • 网络出版日期:  2022-05-20

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