基于余弦定理-PID的煤矸石分拣机器人动态目标稳准抓取算法

王鹏^1,2，曹现刚^1,2，马宏伟^1,2，吴旭东^1,2，夏晶^1,2

1. 西安科技大学机械工程学院2. 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室

摘 要：针对煤矿生产中煤矸石分拣问题,提出机器人分拣方案,并对机器人在跟踪和分拣煤矸石时出现延时、抖动、冲击、分拣速度低等现象进行了分析和讨论。通过分析发现,出现这些现象的主要原因是煤矸石属于大质量、快速移动分拣对象,同时决定了机器人机械本体具有较大的惯性负载,传统的跟踪算法由于较大的数据量不适于机器人对大质量、动态目标的快速跟踪与稳定抓取。针对该问题,结合实际工况以及不同追踪方法的优点,提出了基于余弦定理-PID的动态目标抓取算法。首先,利用梯形速度运动规律进行了轨迹规划,并建立了带有圆弧过渡的门字型轨迹;然后,对动态环境下的大质量、动态目标抓取问题建立了数学模型,并针对该数学模型提出了基于余弦定理-PID的动态目标抓取算法。该算法首先通过余弦定理计算出机器人理论抓取点,控制机器人快速到达理论抓取点后,再通过位置-速度双环PID算法控制机械臂末端与煤矸石进行同步。算法测试结果表明:该算法通过余弦定理计算出理论抓取点,能在很大程度上减小机械臂跟踪煤矸石时间,并使得机器人末端快速逼近目标,提高跟踪效率,并通过位置-速度双环PID算法控制机械臂末端与煤矸石进行同步,以保证机械手对煤矸石进行稳准抓取,有效解决了机器人在抓取过程中出现的延迟、抖动和冲击问题。样机实验结果表明:利用该算法能使煤矸石分拣机器人以最优时间进行大质量、动态目标的稳准抓取,单机器人抓取速度可达25次/min,验证了算法的准确性、高效性与稳定性。

关键词：煤矸石分拣;动态抓取;余弦定理;PID追踪;轨迹规划;