CN104850699B - 冲压线搬运机器人防碰撞控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲压线搬运机器人防碰撞控制方法，包括如下步骤：步骤101、基于AABB包围盒法建立机器人关节轴包络模型和锻压机简化包络模型；步骤102、将上述机器人关节轴包络模型和锻压机简化包络模型分别向三个坐标面平面进行投影；步骤103、判定机器人是否发生碰撞，具体为：如果任意一个投影不存在重叠区域，则判定机器人不发生碰撞；如果有一个投影存在重叠区域，则表示可能有碰撞，随后结合其余两个投影面进一步判断。本发明采用AABB包络模型分析了机器人关节轴模型和液压件简化模型，并在此基础上进行了机器人碰撞检测算法研究，提高了碰撞检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及液压自动控制领域，特别是涉及一种冲压线搬运机器人防碰撞控制方法。
背景技术
机器人离线编程技术是工业机器人技术的一个重要研究领域，该技术是在离线仿真的环境下进行机器人生产线的可行性评估。通过使用离线编程技术可提高工业机器人工作效率、并增加机器人使用过程中的安全性。在离线编程技术中碰撞检测技术及避障路径规划技术对于将机器人仿真结果应用于工程实际极为重要。《一种工业机器人手臂快速碰撞检测算法》作者：凌家良，施荣华，王国才；期刊《山西电子技术》，出版时间：2009,(3):34-37通过比较层次包围盒法、空间分割法等三维空间物体的简化包络方法优劣，提出将机器人杆件简化为两端半球体、中间圆柱体的空间图形，然后通过将三维物体的干涉问题转化为二维问题进行机器人各杆件间的碰撞检测。《一种优化的机器人碰撞检测算法研究》，作者：刘燕，陈一民，李启明等，期刊《微型电脑应用》出版时间,2011,27(5):14-18.DOI:10.3969/j.issn.1007-757X.2011.05.005采用AABB包装盒进行空间物体的模型简化，并提出Vclip的优化碰撞检测算法，用GPU的遮挡查询特性进行三角形测试，从而提高了虚拟物体碰撞检测精确性与计算速度。《一种多臂机器人关节间碰撞检测快速算法》，作者：黎自强，滕弘飞，期刊《大连理工大学学报》，出版时间2007，47(4)：527-532利用圆柱体简化机器人关节，通过二元函数极小值算法求出圆柱体间最短距离进行碰撞检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本专利针对机器人将工件搬运进入锻压机内腔过程中的碰撞检测问题为对象，进行了冲压线机器人碰撞检测算法研究和机器人无碰路径规划仿真。为了提高碰撞检测效率，采用AABB包围盒的方法，对液压件支柱和机器人关节轴进行简化包络，并进行求解仿真。其次，针对单工位机器人抓取模型进行无碰路径规划和仿真。最后，将规划好的机器人无碰路径进行仿真和现场验证，仿真结果表示该避障策略正确，该避障策略将为机器人离线编程提供重要的理论依据。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种冲压线搬运机器人防碰撞控制方法，包括如下步骤：
步骤101、基于AABB包围盒法建立机器人关节轴包络模型和锻压机简化包络模型，具体为：
首先建立机器人及机器人吸盘，锻压机的数学模型；将机器人杆件简化为长方体，每个长方体都包围一个对应的杆件，长方体上八个顶点相对杆件自身坐标系建立；
假设机器人各杆件包围盒各点在对应杆件坐标系下齐次坐标为：
pa(i,j)＝[xij,yij,zij,1]T
其中pa(I，j)为对应杆件i包围盒位置向量，i为杆件序号，j为包围盒上顶点序号，则各杆件顶点位置可通过机器人正运动学计算得到，即
pb(i,j)＝0Tipa(i,j)
其中pb(i，j)为包围盒各顶点在机器人基坐标系下的坐标；
步骤102、将上述机器人关节轴包络模型和锻压机简化包络模型分别向三个坐标面平面进行投影；
步骤103、判定机器人是否发生碰撞，具体为：
如果任意一个投影不存在重叠区域，则判定机器人不发生碰撞；如果有一个投影存在重叠区域，则表示可能有碰撞，随后；如果另外两个投影面中投影不存在重叠区域，则判定机器人不发生碰撞；如果另外两个投影面任意一个存在重叠区域，则表示可能有碰撞；
步骤104、当判定结果为机器人发生碰撞时，则需要更改路径。
进一步：所述机器人为ABB IRB6640机器人，该机器人由可回转的基座、大臂、小臂、腕关节组成，该机器人是由六个转动关节相连接的开链连杆式关节型机器人，在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的状态；通过分析机器人的结构特点，采用D-H坐标法建立机器人坐标系模型；D-H坐标法(四参数法)是采用齐次变换矩阵来描述相邻两连杆之间的关系，最终得到首、末端连杆坐标系之间的变换矩阵，从而建立机器人的运动方程。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明采用AABB包络模型分析了机器人关节轴模型和液压件简化模型，并在此基础上进行了机器人碰撞检测算法研究，提高了碰撞检测效率。
附图说明
图1是本发明中机器人杆件的包络模型；
图2是本发明中锻压机包络模型；
图3是本发明中转动后包围盒空间；
图4是本发明中AABB包围盒投影范围示意图；
图5是本发明中碰撞检测投影示意图；
图6是本发明中碰撞检测结果。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种冲压线搬运机器人防碰撞控制方法，包括如下步骤：
首先建立机器人及末端执行工具(即机器人吸盘)，锻压机的数学模型。以ABB机器人的第三到六杆件为例，将机器人杆件简化为长方体，每个长方体都包围一个对应的杆件，长方体上8个顶点相对杆件自身坐标系建立，如图1所示。
假设机器人各杆件包围盒各点在对应杆件坐标系下齐次坐标为：
pa(i,j)＝[xij,yij,zij,1]T (式1)
其中pa(I,j)为对应杆件i包围盒位置向量，i为杆件序号，j为包围盒上顶点序号，则各杆件顶点位置可通过机器人正运动学计算得到，即
pb(i,j)＝0Tipa(i,j) (式2)
式2中pb(i,j)为包围盒各顶点在机器人基坐标系下的坐标。
本优选实施例中的机器人为：ABB IRB6640机器人，它由可回转的基座、大臂、小臂、腕关节等组成，它是由六个转动关节相连接的开链连杆式关节型机器人，为了清晰描述末端工具在空间中的位置和姿态，可在各个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的状态。通过分析机器人的结构特点，采用D-H坐标法建立机器人坐标系模型。D-H坐标法(四参数法)是采用齐次变换矩阵来描述相邻两连杆之间的关系，最终得到首、末端连杆坐标系之间的变换矩阵，从而建立机器人的运动方程。
ABB IRB6640机器人的D-H数学模型如下：
表1机器人DH模型
锻压机简化包络模型
冲压生产线中，液压机是在生产制造过程中用来锻压板材，完成板材冲压成型的过程。液压机工作时，以高压液体(油、乳化液等)传送工作压力，其行程可变，并能够在任何位置发出最大工作压力。工作时运行平稳，没有震动，能够达到较大的锻造深度，适合大型锻件和大规格板料的锻造和拉伸等工作。整个过程采用AABB包围盒建简化模型，。在建模过程中需要考虑液压机内腔空间，因此液压机模型分为上下本体，导杆和上下模具部分，锻压机结构AABB包络模型简化如图2所示。
薄板冲压生产线中锻压机的空间位置和机器人机械原点位置相对于大地坐标系是固定的。机器人搬运板料放入模具过程中锻压机是处于静止状态的，即可说明包络模型在整条冲压线布局确定后，锻压机简化模型的AABB包围盒位置也随之确定，能够直接进行碰撞检测。
本优选实施例中的碰撞检测算法原理为
假设机器人搬运过程中，认为板料搬运过程仅在俯视平面内转动，机器人下臂整体杆件在世界坐标系下XOY投影为矩形。在已知机器人连杆位置后，可以确定机器人下臂杆件在XOY面的投影中各点位置。图3中ABCD代表包围盒初始位置，A’B’C’D’是转过θ角后包围盒位置，M点代表机器人法兰盘中心位置。
图3中M点表示法兰盘中心，p1，p2，p3，p4以及p’1，p’2，p’3，p’4为机械臂下臂杆件位置，a、b表示包围盒的长度和宽度。设则以上两组点坐标为
上式中xi，yi，zi为下臂在XOY面投影坐标，为x’i，y’i，z’i为下臂变化后在XOY面投影坐标。
判定机器人碰撞的步骤为：
分离轴定理说明，如果两实体在任意一条轴上的投影不相交，则两实体不发生干涉。基于此原理，将机器人包络模型及锻压机包络模型分别向三个坐标平面投影，如果任意一个投影不存在重叠区域，则不发生碰撞；如果有一个投影存在重叠区域，则表示可能有干涉问题。以俯视投影为例，图5a和5b分别是无碰投影和碰撞投影示意图。图5a中俯视投影不存在重合区域，机器人和锻压机不会发生碰撞；图5b的阴影部分是立柱和端拾器的投影重合区域，此时两者有可能发生碰撞，需结合其余两个投影面进一步判断。
设绝对坐标系原点与机器人基坐标系重合，假设预定义机器人沿简单直线搬运板料至锻压机模具中心，法兰盘中心起始和末端位置分别为(128，-2077,874)和(2528，-2177,274)，姿态保持不变。在MATLAB软件中进行仿真计算，如果某时刻不发生碰撞，则输出“1”值，否则输出“2”值，仿真结果见图6。
从图6可以看出，在5.5s至8.5s，碰撞检测输出值为2，表明此段路径机器人与锻压机出现碰撞，需进一步调整机器人位姿。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (2)
1.一种冲压线搬运机器人防碰撞控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤101、基于AABB包围盒法建立机器人关节轴包络模型和锻压机简化包络模型，具体为：
首先建立机器人及机器人吸盘，锻压机的数学模型；将机器人杆件简化为长方体，每个长方体都包围一个对应的杆件，长方体上八个顶点相对杆件自身坐标系建立；
假设机器人各杆件包围盒各点在对应杆件坐标系下齐次坐标为：
pa(i,j)＝[xij,yij,zij,1]T
其中pa(i，j)为对应杆件i包围盒位置向量，i为杆件序号，j为包围盒上顶点序号，则各杆件顶点位置可通过机器人正运动学计算得到，即
Pb(i,j)＝oTi*Pa(i,j)
其中pb(i，j)为包围盒各顶点在机器人基坐标系下的坐标；
步骤102、将上述机器人关节轴包络模型和锻压机简化包络模型分别向三个坐标面平面进行投影；
步骤103、判定机器人是否发生碰撞，具体为：
如果任意一个投影不存在重叠区域，则判定机器人不发生碰撞；如果有一个投影存在重叠区域，则表示可能有碰撞，随后；如果另外两个投影面中投影不存在重叠区域，则判定机器人不发生碰撞；如果另外两个投影面任意一个存在重叠区域，则表示可能有碰撞；
步骤104、当判定结果为机器人发生碰撞时，则需要更改路径。
2.根据权利要求1所述的冲压线搬运机器人防碰撞控制方法，其特征在于：所述机器人为ABB IRB6640机器人，该机器人由可回转的基座、大臂、小臂、腕关节组成，该机器人是由六个转动关节相连接的开链连杆式关节型机器人，在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的状态；通过分析机器人的结构特点，采用D-H坐标法建立机器人坐标系模型；D-H坐标法是采用齐次变换矩阵来描述相邻两连杆之间的关系，最终得到首、末端连杆坐标系之间的变换矩阵，从而建立机器人的运动方程。
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