Details

Данная работа посвящена разработке алгоритмического и программного обеспечения системы манипулирования и штабелирования, предназначенной для автоматизированной укладки однотипных объектов на паллету с формированием штабеля по заданным параметрам. Объект исследования - система роботизированного штабелирования на базе шестиосевого манипулятора, предмет исследования – алгоритмы решения задач кинематики, планирования траекторий и оптимизации последовательности укладки при формировании штабеля. Практическая значимость заключается в создании программной основы для внедрения в роботизированные комплексы паллетирования и штабелирования, а также в возможности адаптации разработанных модулей под различные геометрические параметры объектов и ограничения производственного участка; ожидаемый эффект от применения оптимизации - снижение суммарной длины перемещений и времени цикла укладки по сравнению с последовательным обходом позиций. Для достижения данных результатов в работе были использованы следующие информационные технологии, в том числе программное обеспечение, библиотеки и средства разработки: офисные приложения Microsoft Word и Microsoft Excel для подготовки пояснительной записки и расчётных материалов; язык программирования Python и библиотека NumPy для численных вычислений и реализации алгоритмов; библиотека Matplotlib (mplot3d) для трёхмерной визуализации манипулятора, штабеля и траекторий; средства PlantUML для документирования структуры и алгоритмов системы в виде диаграмм и графов.

This work is devoted to the development of algorithmic and software for a manipulation and stacking system designed for the automated placement of uniform objects onto a pallet, forming a stack according to specified parameters. The object of the research is a robotic stacking system based on a six-axis manipulator. The subject of the research is algorithms for solving kinematics problems, trajectory planning, and optimizing the stacking sequence during stack formation. The practical significance lies in creating a software foundation for implementation in robotic palletizing and stacking complexes, as well as in the possibility of adapting the developed modules to various geometric parameters of objects and constraints of the production area. The expected effect from applying optimization is a reduction in the total path length and stacking cycle time compared to a sequential traversal of positions. To achieve these results, the following information technologies were used in the work, including software, libraries, and development tools: Microsoft Word and Microsoft Excel office applications for preparing the explanatory note and calculation materials; the Python programming language and the NumPy library for numerical computations and algorithm implementation; the Matplotlib library (mplot3d) for three-dimensional visualization of the manipulator, stack, and trajectories; and PlantUML tools for documenting the systems structure and algorithms in the form of diagrams and graphs.

• СОДЕРЖАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
  • 1 Аналитический обзор систем манипулирования и штабелирования
  • 1.1 Обзор существующих систем автоматизированного манипулирования производственных объектов
  • 1.2 Анализ алгоритмов планирования траекторий и позиционирования манипуляторов
  • 1.3 Обзор методов визуализации и моделирования робототехнических систем
  • 2 Разработка алгоритмического обеспечения системы манипулирования и штабелирования
  • 2.1 Описание структуры системы и математическое обеспечение кинематики манипулятора
  • 2.2 Разработка алгоритмов планирования траекторий и позиционирования объектов
  • 2.3 Разработка алгоритма штабелирования и оптимизации рабочего цикла
  • 3 Программная реализация и компьютерное моделирование
  • 3.1 Программная реализация разработанных алгоритмов управления
  • 3.2 Визуализация структуры системы и алгоритмов работы
  • 3.3 Компьютерное моделирование рабочих циклов и анализ результатов
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
• ПРИЛОЖЕНИЕ А
• Архитектура системы моделирования и визуализации робототехнического комплекса
• ПРИЛОЖЕНИЕ Б
• Листинг Б.1 - Программная реализация модулей кинематики манипулятора (D-H-параметры, ПЗК/ОЗК, матрица Якоби)
• ПРИЛОЖЕНИЕ В
• Листинг В.1 - Генератор профилей скорости для траекторий
• ПРИЛОЖЕНИЕ Г
• Листинг Г.1 - Планировщик траекторий на основе RRT
• ПРИЛОЖЕНИЕ Д
• Листинг Д.1 - Планировщик формирования штабеля
• ПРИЛОЖЕНИЕ Е
• Листинг Е.1 - Оптимизация последовательности укладки (эвристика TSP: ближайший сосед + 2-opt)
• ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
• Листинг Ж.1 - Модульный тест согласованности прямой и обратной задач кинематики
• ПРИЛОЖЕНИЕ З
• Листинг З.1 - Программная реализация трёхмерной визуализации манипулятора и зоны штабелирования
• ПРИЛОЖЕНИЕ И
• Листинг И.1 - Программная реализация сценария моделирования цикла штабелирования (класс StackingSimulation)
• ПРИЛОЖЕНИЕ К
• Листинг К.1 - Запуск сравнительного моделирования стратегий укладки (функция run_comparative_simulation)