CN104475504A - 机器人折弯实时跟随方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人折弯实时跟随方法，包括：步骤a，获取机器人末端在折弯开始点时处于折弯坐标系下的位姿值；步骤b，接收折弯刀位移检测装置的检测结果，并据此获得折弯刀在一个预定采样周期内的位移量，计算出折弯刀的移动速度；步骤c，确定机器人末端在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值；步骤d，将机器人末端在折弯坐标系下的实时位姿值转换成世界坐标系下的实时位姿值，根据该世界坐标系下的实时位姿值计算机器人的关节角度，将计算出的机器人关节角度发送给机器人驱动装置。本发明还公开了一种实现机器人折弯实时跟随的装置。本发明实现了机器人在折弯过程中的高精度实时跟随，从而提高了机器人的折弯质量，并提升了工作效率。

Description

机器人折弯实时跟随方法及其装置

技术领域

本发明涉及机器人技术，尤其涉及机器人折弯实时跟随方法及其装置。

背景技术

采用人工折弯板材，工人需要在每次折弯的时候托着板材向上抬起，此动作非常费力，劳动强度大、生产效率低，且人的托举运动轨迹并不能很好的跟踪板材移动，折弯效果也难于保证。而机器人非常擅长重复的工作，将折弯路径做好后，让机器人根据指令运动，实现自动化的无人作业，可提高生产效率。机器人折弯需根据折弯刀的移动托着板材同步运动，避免折弯过程中由于重力作用导致的板材变形和折弯质量差的问题。在此过程中，折弯机器人需要精确地实时跟随折弯机的折弯进给速度和轨迹，否则极小的跟随误差都会使得折弯精度大大降低甚至会导致折弯工件变形，影响折弯质量和效率。因此机器人折弯实时跟随技术是一项关键技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种机器人的折弯实时跟随方法，该方法具有较高的跟随精度。

本发明还提供了一种实现机器人的折弯实时跟随的装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种机器人折弯实时跟随方法，包括：

步骤a，获取机器人末端在折弯开始点时处于折弯坐标系下的位姿值P0(L₂,Y₀,Z₀,A₀,0,C₀)；所述的折弯坐标系以折弯机刀槽口部的纵向中心线的延伸方向作为Y轴方向，以折弯刀的移动方向作为Z轴方向，X轴方向由Y轴方向和Z轴方向根据右手法则确定；该折弯坐标系的原点为所述的折弯机刀槽口部的纵向中心线上的任意一点；L2为机器人折弯开始点距折弯坐标系原点的距离；

步骤b，接收折弯刀位移检测装置的检测结果，并据此获得折弯刀在一个预定采样周期Δt内的位移量Δl，计算出折弯刀的移动速度v0：v0＝Δl/Δt；

步骤c，确定机器人末端在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X,Y,Z,A,B,C)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝a tan 2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部的宽度的一半；h为当前折弯深度，满足0≤h≤H；H为待折弯板材的最终折弯深度，h是基于上述的折弯刀移动速度v0通过迭代算法计算获得；

步骤d，将机器人末端在折弯坐标系下的实时位姿值转换成世界坐标系下的实时位姿值，根据该世界坐标系下的实时位姿值计算机器人的关节角度，将计算出的机器人关节角度发送给机器人驱动装置。

本发明还提供了一种实现机器人折弯实时跟随的装置，包括：

起始位姿获取单元，用于获取机器人末端在折弯开始点时处于折弯坐标系下的位姿值P0(L₂,Y₀,Z₀,A₀,0,C₀)；所述的折弯坐标系以折弯机刀槽口部的纵向中心线的延伸方向作为Y轴方向，以折弯刀的移动方向作为Z轴方向，X轴方向由Y轴方向和Z轴方向根据右手法则确定；该折弯坐标系的原点为所述的折弯机刀槽口部的纵向中心线上的任意一点；L2为机器人折弯开始点距折弯坐标系原点的距离；

折弯刀速度计算单元，用于接收折弯刀位移检测装置的检测结果，并据此获得折弯刀在一个预定采样周期Δt内的位移量Δl，计算出折弯刀的移动速度v0：v0＝Δl/Δt；

实时位姿确定单元，用于确定机器人末端在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X,Y,Z,A,B,C)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝a tan 2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部的宽度的一半；h为当前折弯深度，满足0≤h≤H；H为待折弯板材的最终折弯深度，h是基于上述的折弯刀移动速度v0通过迭代算法计算获得；

转换单元，用于将机器人末端在折弯坐标系下的实时位姿值转换成世界坐标系下的实时位姿值，根据该世界坐标系下的实时位姿值计算机器人的关节角度，将计算出的机器人关节角度发送给机器人驱动装置。

本发明实现了机器人在折弯过程中的高精度实时跟随，从而提高了机器人的折弯质量，并提升了工作效率。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的机器人的折弯实时跟随方法的流程图。

图2是根据本发明一实施例的折弯刀移动和机器人轨迹图。

图3是折弯机刀槽口部的俯视示意图，并示出了根据本发明一实施例的折弯坐标系。

图4是根据本发明一实施例的折弯速度跟踪示意图。

图5是根据本发明一实施例的用于实现机器人折弯实时跟随的装置的示意图。

图6是根据本发明一实施例的实时位姿确定单元的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

请参考图1至图4。根据本发明一实施例的机器人折弯实时跟随方法，包括以下步骤：

步骤a，获取机器人末端1在折弯开始点时处于折弯坐标系下的位姿值P0(L₂,Y₀,Z₀,A₀,0,C₀)；所述的折弯坐标系以折弯机刀槽2的口部21的纵向中心线C的延伸方向作为Y轴方向，以折弯刀3的移动方向作为Z轴方向，X轴方向由Y轴方向和Z轴方向根据右手法则确定。该折弯坐标系的原点为折弯机刀槽口部21的纵向中心线C上的任意一点；L2为机器人折弯开始点距折弯坐标系原点的距离，也即折弯开始点在折弯坐标系X方向的坐标值。

步骤b，接收折弯刀位移检测装置的检测结果，并据此获得折弯刀在一个预定采样周期Δt内的位移量Δl，计算出折弯刀3的移动速度v0：v0＝Δl/Δt。该折弯刀位移检测装置例如可采用光栅尺。

步骤c，确定机器人末端1在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X,Y,Z,A,B,C)，在折弯跟随过程中，机器人只绕折弯坐标系的Y轴旋转B角度，在X轴和Z轴并没有姿态上的变化，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝a tan 2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部21的宽度的一半；h为当前折弯深度，满足0≤h≤H；H为待折弯板材4的最终折弯深度H＝L₁/tan(ψ)，ψ是最终折弯角(即折弯机刀槽2的底部夹角)的一半；h是基于上述的折弯刀移动速度v0通过迭代算法获得。优选地，h是通过迭代启发式算法计算获得。

设折弯刀3从起始位置至最终折弯位置的总位移量为L，当前已走过的当前位移量为l_i，剩余位移量为s_i。机器人的跟随速度是根据折弯刀的剩余位移量s_i来调整的，s_i越大，表明机器人末端的当前位置离要求到达的位置越远，机器人的跟随速度应该增大，即偏差速度Δv越大。反之，s_i越小，机器人的跟随速度应该减小，即Δv越小。迭代启发式算法正是基于该原理，先由折弯刀剩余位移量量获得偏差速度Δv，再由偏差速度Δv获得机器人理论跟随速度，最后根据实际加速能力获得机器人的跟随速度，如此迭代，直到剩余位移量s_i小于Δl。

具体地，通过迭代启发式算法获得当前折弯深度h包括以下步骤：

由剩余位移量s_i获得偏差速度Δv：其中，s_i＝L－l_i，L为折弯刀在整个折弯过程中的总位移量，l_i为折弯刀当前已走过的当前位移量；a为预设的加速度，a可参照折弯刀的加速度来设置，一般设为折弯刀的加速度的1～2倍。k为调整比例系数，k值的大小影响最后速度达到稳态的时间和速度震荡赋值。k值越大，到达稳态的时间越短，震荡越大；k值越小，到达稳态的时间越长，震荡越小。k值过大或过小，都可能造成速度发散。本实施例中，k＝1～2；

根据上一步骤计算出的偏差速度Δv求出折弯刀的理论跟随速度Vs：Vs＝v0+Δv；

获得机器人的实际跟随速度v_i+1：：

在实际的折弯跟随过程中，机器人的实际跟随速度v_i是根据预设的加速度的大小来完成速度的调整，不一定能达到算法计算出的机器人理论跟随速度Vs，即某时刻下的机器人理论跟随速度Vs有可能超出机器人的跟踪到达能力。为此，机器人的实际跟随速度v_i不能直接等于Vs，如果机器人的实际跟随速度v_i加上半周期的速度补偿后小于Vs，则按预设的加速度进行升速，反之减速；

根据机器人的实际跟随速度更新前位移量l_i+1和剩余位移量s_i+1，从而获得当前折弯深度h：

h＝l_i+1，

l_i+1＝l_i+v_i+1·Δt。

s_i+1＝L-l_i+1

步骤d，将机器人末端在折弯坐标系下的实时位姿值转换成世界坐标系下的实时位姿值，根据该世界坐标系下的实时位姿值计算机器人的关节角度，将计算出的机器人关节角度发送给机器人驱动装置，从而驱动机器人运动，完成整个折弯跟随运动过程。

请参考图5。根据本发明一实施例的一种实现机器人折弯实时跟随的装置600包括起始位姿获取单元61、折弯刀速度计算单元62、实时位姿确定单元63和转换单元64，其中：

起始位姿获取单元61用于获取机器人末端1在折弯开始点时处于折弯坐标系下的位姿值P0(L₂,Y₀,Z₀,A₀,0,C₀)；折弯坐标系以折弯机刀槽口部21的纵向中心线C的延伸方向作为Y轴方向，以折弯刀3的移动方向作为Z轴方向，X轴方向由Y轴方向和Z轴方向根据右手法则确定；该折弯坐标系的原点为折弯机刀槽口部的纵向中心线上的任意一点；L2为机器人折弯开始点距折弯坐标系原点的距离；

折弯刀速度计算单元62用于接收折弯刀位移检测装置的检测结果，并据此获得折弯刀3在装置600的一个预定采样周期Δt内的位移量Δl，计算出折弯刀3的移动速度v0：v0＝Δl/Δt；

实时位姿确定单元63用于确定机器人末端1在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X,Y,Z,A,B,C)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝a tan 2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部21的宽度的一半；h为当前折弯深度，满足0≤h≤H；H为待折弯板材4的最终折弯深度，h是基于上述的折弯刀移动速度v0通过迭代算法计算获得；

转换单元64用于将机器人末端在折弯坐标系下的实时位姿值转换成世界坐标系下的实时位姿值，根据该世界坐标系下的实时位姿值计算机器人的关节角度，将计算出的机器人关节角度发送给机器人驱动装置。

如图6所示，实时位姿确定单元63进一步包括偏差速度获取子单元631、理论跟随速度获取子单元632、实际跟随速度获取子单元633、当前折弯深度获取子单元634和实时位姿值获取子单元635，其中：

偏差速度获取子单元631用于由剩余路程量s_i获得偏差速度Δv：其中，s_i＝L－l_i，L为折弯刀在整个折弯过程中的总位移量，l_i为折弯刀当前已走过的当前位移量；a为预设的加速度，k为调整比例系数，k＝1～2；

理论跟随速度获取子单元632用于根据上一步骤计算出的偏差速度Δv求出机器人的理论跟随速度Vs：Vs＝v0+Δv；

实际跟随速度获取子单元633用于获得机器人的实际跟随速度v_i+1：

当前折弯深度获取子单元634用于根据机器人的实际跟随速度获得当前折弯深度h：

h＝l_i+1，

l_i+1＝l_i+v_i+1·Δt；

s_i+1＝L-l_i+1

实时位姿值获取子单元635用于确定机器人末端在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X,Y,Z,A,B,C)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝a tan 2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部的宽度的一半。

Claims (6)

1.一种机器人折弯实时跟随方法，其特征在于，包括：

步骤a，获取机器人末端在折弯开始点时处于折弯坐标系下的位姿值P0(L₂,Y₀,Z₀,A₀,0,C₀)；所述的折弯坐标系以折弯机刀槽口部的纵向中心线的延伸方向作为Y轴方向，以折弯刀的移动方向作为Z轴方向，X轴方向由Y轴方向和Z轴方向根据右手法则确定；该折弯坐标系的原点为所述的折弯机刀槽口部的纵向中心线上的任意一点；L2为机器人折弯开始点距折弯坐标系原点的距离；

步骤b，接收折弯刀位移检测装置的检测结果，并据此获得折弯刀在一个预定采样周期Δt内的位移量Δl，计算出折弯刀的移动速度v0：v0＝Δl/Δt；

步骤c，确定机器人末端在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X,Y,Z,A,B,C)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝atan2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部的宽度的一半；h为当前折弯深度，满足0≤h≤H；H为待折弯板材的最终折弯深度，h是基于上述的折弯刀移动速度v0通过迭代算法计算获得；

步骤d，将机器人末端在折弯坐标系下的实时位姿值转换成世界坐标系下的实时位姿值，根据该世界坐标系下的实时位姿值计算机器人的关节角度，将计算出的机器人关节角度发送给机器人驱动装置。

2.如权利要求1所述的机器人折弯实时跟随方法，其特征在于，所述的当前折弯深度h通过迭代启发式算法获得，具体包括以下步骤：

由剩余路程量s_i获得偏差速度Δv：其中，s_i＝L－l_i，L为折弯刀在整个折弯过程中的总位移量，l_i为折弯刀当前已走过的当前位移量；a为预设的加速度，k为调整比例系数，k＝1～2；

根据上一步骤计算出的偏差速度Δv求出机器人的理论跟随速度Vs：Vs＝v0+Δv；

获得机器人的实际跟随速度v_i+1：

根据机器人的实际跟随速度获得当前折弯深度h：

h＝l_i+1，

l_i+1＝l_i+v_i+1·Δt

s_i+1＝L-l_i+1。

3.如权利要求1所述的机器人折弯实时跟随方法，其特征在于，所述的折弯刀位移检测装置为光栅尺。

4.一种实现机器人折弯实时跟随的装置，其特征在于，包括：

起始位姿获取单元，用于获取机器人末端在折弯开始点时处于折弯坐标系下的位姿值P0(L₂,Y₀,Z₀,A₀,0,C₀)；所述的折弯坐标系以折弯机刀槽口部的纵向中心线的延伸方向作为Y轴方向，以折弯刀的移动方向作为Z轴方向，X轴方向由Y轴方向和Z轴方向根据右手法则确定；该折弯坐标系的原点为所述的折弯机刀槽口部的纵向中心线上的任意一点；L2为机器人折弯开始点距折弯坐标系原点的距离；

折弯刀速度计算单元，用于接收折弯刀位移检测装置的检测结果，并据此获得折弯刀在一个预定采样周期Δt内的位移量Δl，计算出折弯刀的移动速度v0：v0＝Δl/Δt；

实时位姿确定单元，用于确定机器人末端在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X,Y,Z,A,B,C)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝atan2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部的宽度的一半；h为当前折弯深度，满足0≤h≤H；H为待折弯板材的最终折弯深度，h是基于上述的折弯刀移动速度v0通过迭代算法计算获得；

转换单元，用于将机器人末端在折弯坐标系下的实时位姿值转换成世界坐标系下的实时位姿值，根据该世界坐标系下的实时位姿值计算机器人的关节角度，将计算出的机器人关节角度发送给机器人驱动装置。

5.如权利要求4所述的实现机器人折弯实时跟随的装置，其特征在于，所述的实时位姿确定单元进一步包括：

偏差速度获取子单元，用于由剩余路程量s_i获得偏差速度Δv：其中，s_i＝L－l_i，L为折弯刀在整个折弯过程中的总位移量，l_i为折弯刀当前已走过的当前位移量；a为预设的加速度，k为调整比例系数，k＝1～2；

理论跟随速度获取子单元，用于根据上一步骤计算出的偏差速度Δv求出机器人的理论跟随速度Vs：Vs＝v0+Δv；

实际跟随速度获取子单元，用于获得机器人的实际跟随速度v_i+1：

当前折弯深度获取子单元，用于根据机器人的实际跟随速度获得当前折弯深度h：

h＝l_i+1，

l_i+1＝l_i+v_i+1·Δt

s_i+1＝L-l_i+1；

实时位姿值获取子单元，用于确定机器人末端在折弯跟随过程中处于折弯坐标系下的实时位姿值P(X，Y，Z，A，B，C)，其中：

$\left\{\begin{array}{c}X=L_2\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ Y=Y_0\\ Z=Z_0-(L_2\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-h)\end{array}\right.$

θ为当前折弯角的一半，θ＝atan2(L₁,h)；L1为折弯机刀槽口部的宽度的一半。

6.如权利要求4所述的实现机器人折弯实时跟随的装置，其特征在于，所述的折弯刀位移检测装置为光栅尺。