本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)機(jī)器人通常工作范圍有限，難以滿足長(zhǎng)距離物料搬運(yùn)、多機(jī)床上下料、大件物品的裝配噴涂等應(yīng)用場(chǎng)景的需求。為了擴(kuò)大其工作范圍，一種方式是增加工業(yè)機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)尺寸，但這種方式需要更大的伺服、減速器和本體，導(dǎo)致成本的迅速攀升，此外大尺寸工業(yè)機(jī)器人精度有所欠缺，靈活度也不夠高，難以滿足精密應(yīng)用的要求；另一種方式是把工業(yè)機(jī)器人放置在導(dǎo)軌上，通過附加的導(dǎo)軌平移擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍，這種方式成本相對(duì)較低、精度較高，尤其適合長(zhǎng)距離物料搬運(yùn)、多機(jī)床上下料等用途，也是目前實(shí)際應(yīng)用較多的方案。

現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人配合導(dǎo)軌使用時(shí)，工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌大多分開單獨(dú)控制，也就是工業(yè)機(jī)器人由機(jī)器人控制器控制，導(dǎo)軌由plc或類似的運(yùn)動(dòng)控制器控制，工業(yè)機(jī)器人控制器和導(dǎo)軌控制器通過數(shù)字io信號(hào)的方式建立通訊，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制器沒有特別的要求；缺點(diǎn)是成本高，需要配置導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)控制器，另外工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌不是協(xié)同運(yùn)動(dòng)，工作節(jié)拍低，一些復(fù)雜的空間軌跡也無法實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立多個(gè)坐標(biāo)系，包括導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b和工具坐標(biāo)系t。

具體地，導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b和工具坐標(biāo)系t之間關(guān)系如下：

其中，tt^obj為工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；為工件坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系得轉(zhuǎn)換矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，在導(dǎo)軌安裝完成后為一個(gè)常值矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由導(dǎo)軌位移p決定；tt^b為機(jī)器人基座和工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由機(jī)器人dh參數(shù)、各軸角度以及工具參數(shù)決定。

步驟s2，路徑規(guī)劃：確定機(jī)器人工具坐標(biāo)系t在工件坐標(biāo)系obj下的路徑。

路徑的類型包括直線、圓弧、樣條等形式，通過示教的方式確定路徑的起始點(diǎn)、中間關(guān)鍵點(diǎn)的位置信息，再采用插值的方式可以獲取路徑上任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的tt^obj。

步驟s3，速度規(guī)劃：根據(jù)用戶的設(shè)置、工藝的需求和機(jī)器人性能約束，確定工具坐標(biāo)系t沿路徑的速度值vt。

步驟s4，速度映射：根據(jù)工具坐標(biāo)系速度vt求得機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度。

其中，工具坐標(biāo)系沿路徑的速度其中，j為工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)鏈的雅克比矩陣，由機(jī)器人各軸角度和導(dǎo)軌的位置求得；為機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度構(gòu)成的向量，根據(jù)可以得到機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度，j^-1為雅克比矩陣的廣義逆。

步驟s5，根據(jù)步驟s4中的速度映射獲得工業(yè)機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度后，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值。

具體地，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值，其中δt為工業(yè)機(jī)器人控制器的控制周期。

步驟s6，計(jì)算工具坐標(biāo)系t的期望位置pos_real和計(jì)算位置pos_cal的差值δpos＝pos_real-pos_cal，并將其作為補(bǔ)償值添加到下一個(gè)周期vt中，vt_new＝vt+k×δpos,其中k為補(bǔ)償增益。其中，pos_real來自期望路徑的插值，pos_cal根據(jù)工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解求得。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，不同于現(xiàn)有方案的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌分開單獨(dú)控制，本發(fā)明中工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌均由機(jī)器人控制器控制，工業(yè)機(jī)器人控制器與機(jī)器人和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動(dòng)器通過ethercat總線建立連接，具有高性能、高擴(kuò)展性、低成本的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人控制器同時(shí)給機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送位置指令，這種方案取消了單獨(dú)的導(dǎo)軌控制器，可以降低硬件成本。

本發(fā)明實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，具有以下有益效果：

1、取消了導(dǎo)軌控制器，充分利用機(jī)器人控制器的計(jì)算資源，降低硬件成本；

2、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃，共同運(yùn)動(dòng)，可以構(gòu)成復(fù)雜的空間路徑；

3、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌可以同步運(yùn)動(dòng)，縮短完成一段路徑或任務(wù)的周期，提高任務(wù)節(jié)拍，提升工作效率。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法的流程圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌各坐標(biāo)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立多個(gè)坐標(biāo)系，通過這些坐標(biāo)系可以建立運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。坐標(biāo)系如圖3所示。其中，多個(gè)坐標(biāo)系包括導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b、工具坐標(biāo)系t、p為導(dǎo)軌位移。

具體地，通過轉(zhuǎn)換矩陣可以建立各個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b和工具坐標(biāo)系t之間關(guān)系如下：

其中，tt^obj為工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；為工件坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系得轉(zhuǎn)換矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，在導(dǎo)軌安裝完成后為一個(gè)常值矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由導(dǎo)軌位移p決定；tt^b為機(jī)器人基座和工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由機(jī)器人dh參數(shù)、各軸角度以及工具參數(shù)決定。

步驟s2，路徑規(guī)劃：確定機(jī)器人工具坐標(biāo)系t在工件坐標(biāo)系obj下的路徑。其中，路徑的類型包括直線、圓弧、樣條等形式，通過示教的方式確定路徑的起始點(diǎn)、中間關(guān)鍵點(diǎn)的位置信息，再采用插值的方式可以獲取路徑上任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的tt^obj。

步驟s3，速度規(guī)劃：根據(jù)用戶的設(shè)置、工藝的需求和機(jī)器人性能約束，確定工具坐標(biāo)系t沿路徑的速度值vt。其中，vt＝min{v設(shè)置，v工藝，v約束}。

步驟s4，速度映射：根據(jù)工具坐標(biāo)系速度vt求得機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度。其中，工具坐標(biāo)系沿路徑的速度其中，j為工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)鏈的雅克比矩陣，由機(jī)器人各軸角度和導(dǎo)軌的位置求得；為機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度構(gòu)成的向量，根據(jù)可以得到機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度，j^-1為雅克比矩陣的廣義逆。

步驟s5，根據(jù)步驟s4中的速度映射獲得工業(yè)機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的速度后，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值。

具體地，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值，其中δt為工業(yè)機(jī)器人控制器的控制周期。

步驟s6，采用數(shù)值積分方式容易造成數(shù)值誤差和累計(jì)誤差，這在工業(yè)機(jī)器人這種高精度設(shè)備中是不允許的。為了消除誤差，計(jì)算工具坐標(biāo)系t的期望位置pos_real和計(jì)算位置pos_cal的差值δpos＝pos_real-pos_cal，并將其作為補(bǔ)償值添加到下一個(gè)周期vt中，vt_new＝vt+k×δpos,其中k為補(bǔ)償增益。通過迭代修正的方式提高路徑跟蹤精度。其中，pos_real來自期望路徑的插值，pos_cal根據(jù)工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解求得。

通過上述各個(gè)步驟，即可構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌的協(xié)同規(guī)劃方法。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，不同于現(xiàn)有方案的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌分開單獨(dú)控制，本發(fā)明中工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌均由機(jī)器人控制器控制，工業(yè)機(jī)器人控制器與機(jī)器人和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動(dòng)器通過ethercat總線建立連接，具有高性能、高擴(kuò)展性、低成本的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人控制器同時(shí)給機(jī)器人各個(gè)軸和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送位置指令，這種方案取消了單獨(dú)的導(dǎo)軌控制器，可以降低硬件成本。

本發(fā)明實(shí)施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，具有以下有益效果：

1、取消了導(dǎo)軌控制器，充分利用機(jī)器人控制器的計(jì)算資源，降低硬件成本；

2、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃，共同運(yùn)動(dòng)，可以構(gòu)成復(fù)雜的空間路徑；

3、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌可以同步運(yùn)動(dòng)，縮短完成一段路徑或任務(wù)的周期，提高任務(wù)節(jié)拍，提升工作效率。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。