[论文解读] Mechanical Design of a Cartesian Manipulator for Warehouse Pick and Place

M. McTaggart, Douglas Morrison+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

Robot Manipulation and Learning参考文献 9被引用 10

一句话总结

本文提出 Cartman，一种带有腕部关节的笛卡尔机械臂，专为仓库分拣与放置任务而设计。通过将运动限制为以垂直运动为主，并限制末端执行器构型空间中的不连续边界，该设计有效减少了奇异性与轨迹不连续性，从而在运动规划方面相比 Baxter 和 UR-5 等通用机械臂更为简单且安全。

ABSTRACT

Robotic manipulation and grasping in cluttered and unstructured environments is a current challenge for robotics. Enabling robots to operate in these challenging environments have direct applications from automating warehouses to harvesting fruit in agriculture. One of the main challenges associated with these difficult robotic manipulation tasks is the motion planning and control problem for multi-DoF (Degree of Freedom) manipulators. This paper presents the design and performance evaluation of a low-cost Cartesian manipulator, Cartman who took first place in the Amazon Robotics Challenge 2017. It can perform pick and place tasks of household items in a cluttered environment. The robot is capable of linear speeds of 1 m/s and angular speeds of 1.5 rad/s, capable of sub-millimetre static accuracy and safe payload capacity of 2kg. Cartman can be produced for under 10 000 AUD. The complete design is open sourced and can be found at http://juxi.net/projects/AmazonRoboticsChallenge.

研究动机与目标

• 解决在仓库自动化中使用的通用机械臂所面临的运动学奇异性与轨迹不连续性挑战。
• 通过限制末端执行器构型空间中的不连续边界，降低运动规划过程中出现无限关节速度的风险。
• 通过设计一种可避免问题旋转构型的机械臂，提升操作安全性与规划简易性。
• 通过机械设计选择，在保持较大有效工作空间的同时，最小化奇异性的影响。

提出的方法

• 设计一种带有用于 X、Y 和 Z 方向运动的移动副关节的笛卡尔机械臂，并结合腕部关节以实现末端执行器的定向控制。
• 限制腕部关节的运动范围，以避免穿过末端执行器构型空间中的关键不连续边界。
• 使用不连续性映射分析方法，将 Cartman 的设计与 Baxter 和 UR-5 进行对比，识别出关节速度可能发散的区域。
• 将末端执行器的运动限制为垂直轨迹，以防止穿越不连续边界，从而彻底消除不稳定风险。
• 采用带有线性导轨的机械底座，以支持全轴运动，确保结构刚性与高精度。
• 利用笛卡尔工作空间将垂直运动与旋转奇异性解耦，从而简化轨迹规划。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Baxter 和 UR-5 等通用机械臂中，末端执行器构型空间中的不连续边界如何影响运动规划？
• RQ2 机械设计在多大程度上可以限制机器人机械臂中奇异性与轨迹不连续性的发生？
• RQ3 带有腕部关节的笛卡尔机械臂是否能有效降低在仓库环境中分拣与放置操作期间出现无限关节速度的风险？
• RQ4 在笛卡尔与通用机械臂设计之间，工作空间效率与奇异性规避之间存在何种权衡？
• RQ5 限制腕部旋转对现实仓库应用中运动规划的实用性与安全性有何影响？

主要发现

• Cartman 的机械设计成功限制了末端执行器构型空间中的不连续边界，防止了关节速度向无穷大加速。
• 通过限制腕部运动以避开关键旋转构型，Cartman 消除了常见于 Baxter 和 UR-5 等通用机械臂中的轨迹不连续性。
• 不连续性映射对比分析表明，与 Baxter 的左夹爪和 UR-5 的末端执行器相比，Cartman 的末端执行器发生不稳定性的风险显著降低。
• 由于 Cartman 主要沿垂直方向运动，避免了穿越问题区域，其运动规划更加简单且安全。
• 尽管因线性导轨支撑而需要更大的机械底座，Cartman 仍能在仓库分拣与放置任务中实现稳定且可预测的运动学行为。
• 该设计表明，通过机械约束可有效缓解运动学奇异性，而无需依赖复杂的算法补偿机制。