控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)及方法，方法包括：S1、建立連桿坐標系及正運動學模型；S2、獲得變位機的工作臺坐標系與工業(yè)機器人的基坐標系的變換關(guān)系；S3、從作業(yè)曲線上選取多個點，確定每個點的坐標及軸角；S4、利用同一自變量建立第一三次樣條插值函數(shù)及第二三次樣條插值函數(shù)；S5、設(shè)定工業(yè)機器人的速度；S6、計算工業(yè)機器人當前的位移量，計算自變量的取值；S7、計算位置插補量及變位機的軸角插補量；S8、對工業(yè)機器人進行運動學逆解，以獲得工業(yè)機器人的軸角插補量；S9、控制工業(yè)機器人與變位機進行運動。本發(fā)明解決了工業(yè)機器人與變位機沿復(fù)雜空間軌跡協(xié)調(diào)運動的問題。
【專利說明】控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種采用統(tǒng)一的參數(shù)變量對工業(yè)機器人及變位機的運動軌跡插補進行規(guī)劃的系統(tǒng)以及一種利用所述系統(tǒng)實現(xiàn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)機器人進行焊接或切割等作業(yè)下，不但要求工業(yè)機器人能夠嚴格按照特定的空間軌跡進行插補運動，所謂插補，即根據(jù)給定的曲線函數(shù)，在理想的軌跡上的已知點之間，進行數(shù)據(jù)點密化，確定一些中間點的方法，而且對工業(yè)機器人到達每個軌跡點時的姿態(tài)也有一定的要求。對于復(fù)雜的空間軌跡，很難保證工業(yè)機器人在進行軌跡插補的時候滿足上述的要求。現(xiàn)有技術(shù)中較佳的方法是引入變位機系統(tǒng)，將工件放在變位機上，配合工業(yè)機器人系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)運動。目前，現(xiàn)有的工業(yè)機器人與變位機系統(tǒng)能夠進行簡單的空間軌跡協(xié)調(diào)運動，比如直線，簡單的圓弧等。但是，對于復(fù)雜的空間軌跡，主要還是依賴于工業(yè)機器人的離線編程技術(shù)獲得軌跡的所有幾何信息，然后再進行協(xié)調(diào)運動的插補算法，這對于目前主流的基于示教再現(xiàn)的機器人系統(tǒng)并不適用。
[0003]國內(nèi)外的研究機構(gòu)對于工業(yè)機器人和變位機系統(tǒng)協(xié)調(diào)運動也進行了大量的研究，上海交通大學的唐榮俊在其碩士畢業(yè)論文《焊接機器人與變位機的協(xié)調(diào)控制》中提出了一種分段三次埃米爾特插值算法來實現(xiàn)機器人與變位機系統(tǒng)協(xié)調(diào)運動，該算法能夠保證整個協(xié)調(diào)運動的插補過程中機器人和變位機的運動速度均勻且插補點平滑，但是要求示教點必須分布均勻，這在實際的焊接過程中并不容易完全保證。河海大學的康艷軍在其碩士畢業(yè)論文《弧焊機器人運動學規(guī)劃及機器人/變位機的運動仿真》中提出一種根據(jù)焊縫特征約束，進行機器人與變位機系統(tǒng)協(xié)調(diào)運動的插補算法，該算法能夠根據(jù)空間軌跡的特征進行自動的機器人與變位機的運動規(guī)劃，但是必須要知道空間軌跡上每個點的幾何特征，這在基于示教再現(xiàn)的機器人系統(tǒng)中很難實現(xiàn)。東南大學的唐創(chuàng)奇等人在期刊《工業(yè)控制機器人》中發(fā)表的《弧焊機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的實現(xiàn)》一文，提出了一種根據(jù)空間軌跡的長度和焊接速度，獲得焊接時間，然后根據(jù)這些信息先規(guī)劃變位機的運動，再讓機器人配合其運動的算法，但是該方法是基于時間的，即機器人與變位機的協(xié)調(diào)運動是提前就規(guī)劃好的，在運動過程中不可以再進行速度的調(diào)整。
[0004]因此，現(xiàn)有的工業(yè)機器人與變位機的協(xié)調(diào)運動插補算法都存在一些缺點，具有一定的局限性，并不能很好地實現(xiàn)工業(yè)機器人與變位機沿復(fù)雜空間軌跡進行協(xié)調(diào)運動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中工業(yè)機器人與變位機的協(xié)調(diào)運動插補算法存在缺點、具有一定的局限性的缺陷，提供一種采用統(tǒng)一的參數(shù)變量對工業(yè)機器人及變位機的運動軌跡插補進行規(guī)劃的系統(tǒng)以及一種利用所述系統(tǒng)實現(xiàn)的方法。
[0006]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:[0007]本發(fā)明的目的在于提供了一種控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的方法，其特點在于，所述方法包括以下步驟:
[0008]S1、分別建立所述工業(yè)機器人與所述變位機的連桿坐標系及正運動學模型；
[0009]在步驟S1中可根據(jù)DH原理(一種機器人系統(tǒng)坐標系的建立原理)或其他連桿坐標系的建立方式，建立所述連桿坐標系及所述正運動學模型。
[0010]S2、根據(jù)坐標變換原理獲得所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系；
[0011]具體可根據(jù)所述工業(yè)機器人與所述變位機的基座安裝參數(shù)來確定所述變位機的基坐標系到所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系，再根據(jù)所述變位機的正運動學模型，即得到所述變位機的工作臺坐標系到所述變位機的基坐標系之間的變換關(guān)系，這樣，利用坐標變換原理就可以求得所述變位機的工作臺坐標系到所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系。
[0012]S3、確定安裝在所述變位機的工作臺上的工件的作業(yè)曲線，從所述作業(yè)曲線上選取多個點，所述多個點包括所述作業(yè)曲線的起點和終點，確定選取的每個點在所述變位機的工作臺坐標系下的坐標以及所述工業(yè)機器人與所述變位機在選取的每個點處的軸角；
[0013]S4、利用同一自變量建立所述多個點的第一三次樣條插值函數(shù)以及變位機在選取的每個點處的軸角的第二三次樣條插值函數(shù)，并獲得每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式以及每相鄰的兩個點處所述變位機的軸角之間的所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式；
[0014]所謂三次樣條插值函數(shù)是一種分段函數(shù)，它在所述多個點分成的每個小區(qū)間(gp每相鄰的兩個點之間形成的區(qū)間)上都是三次多項式，并且對于不同的小區(qū)間，其三次多項式之間的系數(shù)一般也是不同的，在步驟S4中，利用所述多個點在所述變位機的工作臺坐標系下的坐標值以及變位機在每個點處的軸角就能夠計算出每相鄰的兩個點之間的三次多項式的系數(shù)。步驟S4中利用所述第一三次樣條插值函數(shù)對所述多個點進行插補運算，以對所述作業(yè)曲線進行擬合，并利用所述第二三次樣條插值函數(shù)對所述多個點處的變位機的軸角進行插補運算。
[0015]S5、通過定積分計算每相鄰的兩個點之間的曲線的長度以及所述作業(yè)曲線的總長度，設(shè)定所述工業(yè)機器人在沿每相鄰的兩個點之間的曲線運動時的速度、加速度以及加加速度；
[0016]所謂加加速度又稱急動度，是描述加速度變化快慢的物理量。
[0017]S6、根據(jù)設(shè)定的速度計算所述工業(yè)機器人當前的位移量，并根據(jù)所述當前的位移量計算每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式與所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式中的自變量的當前取值；
[0018]利用速度變化曲線進行積分運算即可得到所述工業(yè)機器人運動時的當前的位移量，利用積分計算出的每相鄰的兩個點之間的曲線的長度就能夠計算出經(jīng)過的選取的點的曲線段總長度(即經(jīng)過的每相鄰的兩個選取的點之間的曲線長度之和)，當前的位移量減去經(jīng)過的曲線段的總長度即得到所述工業(yè)機器人在當前曲線段的位移量，再用所述工業(yè)機器人在當前曲線段的位移量除以當前曲線段的長度即得到三次多項式中自變量的當前取值。
[0019]S7、根據(jù)自變量的當前取值計算當前所述工業(yè)機器人的位置插補量及所述變位機的軸角插補量；
[0020]將自變量的當前取值帶入所述第一三次樣條插值函數(shù)及所述第二三次樣條插值函數(shù)在當前曲線段處的三次多項式，即可得到當前所述工業(yè)機器人的位置插補量及所述變位機的軸角插補量。
[0021]S8、根據(jù)所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系，將所述位置插補量變換到所述工業(yè)機器人的基坐標系下，并對所述工業(yè)機器人進行運動學逆解，以獲得所述工業(yè)機器人的軸角插補量；
[0022]S9、利用控制器控制所述工業(yè)機器人與所述變位機分別按照所述工業(yè)機器人的軸角插補量與所述變位機的軸角插補量進行運動。
[0023]這樣，利用本發(fā)明的所述方法就能夠?qū)崿F(xiàn)所述工業(yè)機器人及所述變位機沿任意空間軌跡進行協(xié)調(diào)運動，適用于示教類型的機器人控制系統(tǒng)，并且不需要知道空間軌跡上每個點的幾何特征，示教點(即選取的點)也不需要均勻分布在空間軌跡上，而且在運動過程中可以任意改變所述工業(yè)機器人及所述變位機的運動速度，降低了空間軌跡插補算法的復(fù)雜度，很好地解決了工業(yè)機器人與變位機沿復(fù)雜空間軌跡協(xié)調(diào)運動的問題。
[0024]較佳地，步驟S9之后還包括一步驟Sltl:判斷所述工業(yè)機器人的當前的位移量是否等于所述作業(yè)曲線的總長度，若是，則結(jié)束流程，若否，則返回步驟s6。
[0025]較佳地，步驟S5中設(shè)定的所述速度、加速度以及加加速度均是可調(diào)節(jié)的。
[0026]本發(fā)明的目的在于還提供了一種控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)，其特點在于，所述系統(tǒng)包括:
[0027]—模型建立模塊，用于分別建立所述工業(yè)機器人與所述變位機的連桿坐標系及正運動學模型；
[0028]一坐標系變換模塊，用于根據(jù)坐標變換原理獲得所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系；
[0029]一選取模塊，用于確定安裝在所述變位機的工作臺上的工件的作業(yè)曲線，從所述作業(yè)曲線上選取多個點,所述多個點包括所述作業(yè)曲線的起點和終點,確定選取的每個點在所述變位機的工作臺坐標系下的坐標以及所述工業(yè)機器人與所述變位機在選取的每個點處的軸角；
[0030]一函數(shù)建立模塊，用于利用同一自變量建立所述多個點的第一三次樣條插值函數(shù)以及變位機在選取的每個點處的軸角的第二三次樣條插值函數(shù)，并獲得每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式以及每相鄰的兩個點處所述變位機的軸角之間的所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式；
[0031]一速度規(guī)劃模塊，用于通過定積分計算每相鄰的兩個點之間的曲線的長度以及所述作業(yè)曲線的總長度，設(shè)定所述工業(yè)機器人在沿每相鄰的兩個點之間的曲線運動時的速度、加速度以及加加速度；
[0032]一自變量計算模塊，用于根據(jù)設(shè)定的速度計算所述工業(yè)機器人當前的位移量，并根據(jù)所述當前的位移量計算每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式與所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式中的自變量的當前取值；
[0033]一插補量計算模塊，用于根據(jù)自變量的當前取值計算當前所述工業(yè)機器人的位置插補量及所述變位機的軸角插補量；[0034]一運動學逆解模塊，用于根據(jù)所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系，將所述位置插補量變換到所述工業(yè)機器人的基坐標系下，并對所述工業(yè)機器人進行運動學逆解，以獲得所述工業(yè)機器人的軸角插補量；
[0035]一控制器，用于控制所述工業(yè)機器人與所述變位機分別按照所述工業(yè)機器人的軸角插補量與所述變位機的軸角插補量進行運動。
[0036]較佳地，所述系統(tǒng)還包括一判斷模塊，用于判斷所述工業(yè)機器人的當前的位移量是否等于所述作業(yè)曲線的總長度，若是，則不再操作，若否，則重新啟用所述自變量計算模塊。
[0037]較佳地，所述速度規(guī)劃模塊設(shè)定的所述速度、加速度以及加加速度均是可調(diào)節(jié)的。
[0038]本發(fā)明的積極進步效果在于:本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)機器人及變位機沿任意空間軌跡進行協(xié)調(diào)運動，適用于示教類型的機器人控制系統(tǒng)，并且不需要知道空間軌跡上每個點的幾何特征，示教點也不需要均勻分布在空間軌跡上，而且在運動過程中可以任意改變工業(yè)機器人及變位機的運動速度，降低了空間軌跡插補算法的復(fù)雜度，很好地解決了工業(yè)機器人與變位機沿復(fù)雜空間軌跡協(xié)調(diào)運動的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為本發(fā)明的一較佳實施例的控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖2為本發(fā)明的一較佳實施例的控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0042]如圖1所示，本發(fā)明的控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)包括一模型建立模塊1、一坐標系變換模塊2、一選取模塊3、一函數(shù)建立模塊4、一速度規(guī)劃模塊5、一自變量計算模塊6、一插補量計算模塊7、一運動學逆解模塊8、一控制器9以及一判斷模塊10。
[0043]所述模型建立模塊I首先根據(jù)DH原理或其他建立連桿坐標系的方式，分別建立工
業(yè)機器人和變位機的連桿坐標系和正運動學模型< j和-=JZr，其中，表示工業(yè)
機器人的工具坐標系相對工業(yè)機器人的基坐標系的齊次矩陣，表示變位機的工
作臺坐標系相對變位機的基坐標系的齊次矩陣。以DH原理建立的工業(yè)機器人的正運動學模型公式如下:
[0044]tmHD'
[0045]其中，卞,i = 1，2...η為工業(yè)機器人的第i個關(guān)節(jié)到底i_l個關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣，η為工業(yè)機器人的軸的個數(shù)；
[0046]為工業(yè)機器人的法蘭到工業(yè)機器人的第η個關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣；
[0047]為工業(yè)機器人的末端工具坐標系到工業(yè)機器人的法蘭的齊次變換矩陣；[0048]同理，建立的變位機的正運動學模型公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 51、分別建立所述工業(yè)機器人與所述變位機的連桿坐標系及正運動學模型； 52、根據(jù)坐標變換原理獲得所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系； 53、確定安裝在所述變位機的工作臺上的工件的作業(yè)曲線，從所述作業(yè)曲線上選取多個點，所述多個點包括所述作業(yè)曲線的起點和終點，確定選取的每個點在所述變位機的工作臺坐標系下的坐標以及所述工業(yè)機器人與所述變位機在選取的每個點處的軸角； 54、利用同一自變量建立所述多個點的第一三次樣條插值函數(shù)以及變位機在選取的每個點處的軸角的第二三次樣條插值函數(shù)，并獲得每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式以及每相鄰的兩個點處所述變位機的軸角之間的所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式； 55、通過定積分計算每相鄰的兩個點之間的曲線的長度以及所述作業(yè)曲線的總長度，設(shè)定所述工業(yè)機器人在沿每相鄰的兩個點之間的曲線運動時的速度、加速度以及加加速度； 56、根據(jù)設(shè)定的速度計算所述工業(yè)機器人當前的位移量，并根據(jù)所述當前的位移量計算每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式與所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式中的自變量的當前取值； 57、根據(jù)自變量的當前取值計算當前 所述工業(yè)機器人的位置插補量及所述變位機的軸角插補量； 58、根據(jù)所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系，將所述位置插補量變換到所述工業(yè)機器人的基坐標系下，并對所述工業(yè)機器人進行運動學逆解，以獲得所述工業(yè)機器人的軸角插補量； 59、利用控制器控制所述工業(yè)機器人與所述變位機分別按照所述工業(yè)機器人的軸角插補量與所述變位機的軸角插補量進行運動。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S9之后還包括一步驟Sltl:判斷所述工業(yè)機器人的當前的位移量是否等于所述作業(yè)曲線的總長度，若是，則結(jié)束流程，若否，則返回步驟S6。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟S5中設(shè)定的所述速度、加速度以及加加速度均是可調(diào)節(jié)的。
4.一種控制工業(yè)機器人與變位機協(xié)調(diào)運動的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 一模型建立模塊，用于分別建立所述工業(yè)機器人與所述變位機的連桿坐標系及正運動學模型； 一坐標系變換模塊，用于根據(jù)坐標變換原理獲得所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系； 一選取模塊，用于確定安裝在所述變位機的工作臺上的工件的作業(yè)曲線，從所述作業(yè)曲線上選取多個點，所述多個點包括所述作業(yè)曲線的起點和終點，確定選取的每個點在所述變位機的工作臺坐標系下的坐標以及所述工業(yè)機器人與所述變位機在選取的每個點處的軸角；一函數(shù)建立模塊，用于利用同一自變量建立所述多個點的第一三次樣條插值函數(shù)以及變位機在選取的每個點處的軸角的第二三次樣條插值函數(shù)，并獲得每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式以及每相鄰的兩個點處所述變位機的軸角之間的所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式； 一速度規(guī)劃模塊，用于通過定積分計算每相鄰的兩個點之間的曲線的長度以及所述作業(yè)曲線的總長度，設(shè)定所述工業(yè)機器人在沿每相鄰的兩個點之間的曲線運動時的速度、加速度以及加加速度； 一自變量計算模塊，用于根據(jù)設(shè)定的速度計算所述工業(yè)機器人當前的位移量，并根據(jù)所述當前的位移量計算每相鄰的兩個點之間的所述第一三次樣條插值函數(shù)的三次多項式與所述第二三次樣條插值函數(shù)的三次多項式中的自變量的當前取值； 一插補量計算模塊，用于根據(jù)自變量的當前取值計算當前所述工業(yè)機器人的位置插補量及所述變位機的軸角插補量； 一運動學逆解模塊，用于根據(jù)所述變位機的工作臺坐標系與所述工業(yè)機器人的基坐標系之間的變換關(guān)系，將所述位置插補量變換到所述工業(yè)機器人的基坐標系下，并對所述工業(yè)機器人進行運動學逆解，以獲得所述工業(yè)機器人的軸角插補量； 一控制器，用于控制所述工業(yè)機器人與所述變位機分別按照所述工業(yè)機器人的軸角插補量與所述變位機的軸角插補量進行運動。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括一判斷模塊，用于判斷所述工業(yè)機器人的當前的位移量是否等于所述作業(yè)曲線的總長度，若是，則不再操作，若否，則重新啟用所述自變量計算模塊。
6.如權(quán)利要求4或5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述速度規(guī)劃模塊設(shè)定的所述速度、加速度以及加加速度均是可`調(diào)節(jié)的。
【文檔編號】G05B19/41GK103513612SQ201310414989
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】周朔鵬, 嚴彩忠, 熊圓圓, 鄧洪潔 申請人:上海新時達電氣股份有限公司, 上海辛格林納新時達電機有限公司