CN105313119B - 工业机器人的5 轴6 轴混合控制方法及其系统 - Google Patents

工业机器人的5 轴6 轴混合控制方法及其系统 Download PDF

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CN105313119B CN201410337702.9A CN201410337702A CN105313119B CN 105313119 B CN105313119 B CN 105313119B CN 201410337702 A CN201410337702 A CN 201410337702A CN 105313119 B CN105313119 B CN 105313119B
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Abstract

本发明公开了一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法及其系统，所述混合控制方法包括如下步骤：分别配置所述5轴机器人和所述6轴机器人的通道，其中所述5轴机器人对应第一通道，所述6轴机器人对应第二通道；分别获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置；按照所获取的5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动目标位置，第一通道实现对5轴机器人的各关节轴的运动控制，第二通道实现对6轴机器人的各关节轴的运动控制；本发明可实现利用5轴机器人进行材料加工，减小了机械连接柔性，降低了材料加工过程中的振动，利用6轴机器人进行工件搬运，保持了操作的灵活性。

Description

工业机器人的5 轴6 轴混合控制方法及其系统
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，具体为一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法及其系统。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，其可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行；数控系统的多通道控制技术是以一种相对简单的方式实现一个控制器对多个设备或一个设备的不同部分进行独立的控制，并提供了一系列手段和机制保障控制对象间运动的逻辑关系。
现有技术中的工业机器人通常采用6关节轴6自由度的串联机构，执行器安装在第6轴的末端，控制系统对第6轴的末端执行器进行运动控制，由于机器人是串联机构，其刚性随着串联轴数的增加而减弱，第6轴末端的刚性最差；故若把这种工业机器人应用于材料加工领域，在切削力和执行器重力作用下，加工精度很低，这也是制约串联工业机器人在材料加工领域中应用的主要因素。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法及其系统。
本发明的技术手段如下：
一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法，所述工业机器人包括第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴、第六关节轴和多个杆件；多个所述杆件通过第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴相互串联连接；所述混合控制方法包括如下步骤：
步骤1：在所述第五关节轴和第六关节轴的末端均安装有末端执行器；设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴和第五关节轴串联连接的杆件构成5轴机器人，同时设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节 轴，第四关节轴，第五关节轴，第六关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴串联连接的杆件构成6轴机器人；
步骤2：分别配置所述5轴机器人和所述6轴机器人的通道，其中所述5轴机器人对应第一通道，所述6轴机器人对应第二通道；
步骤3：分别获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
步骤4：按照所获取的5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动目标位置，第一通道实现对5轴机器人的各关节轴的运动控制，第二通道实现对6轴机器人的各关节轴的运动控制；
进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤：
步骤31：根据所述工业机器人各杆件尺寸，以及根据各关节轴的当前运动状态，生成D-H参数表，该D-H参数表中包含第i个关节轴的转角θi，第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离ai，第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴线方向的距离di，第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角αi，其中i取值为1、2、…、6；
步骤32：根据所述D-H参数表生成第i个关节轴变换矩阵
Figure BDA0000538015020000021
其中θi为第i个关节轴的转角，ai为第 i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离，di为第i个关节轴与第i-1个关节轴 沿轴线方向的距离，αi为第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹 角，i取值为1、2、…、6；
步骤33：根据末端执行器的尺寸，生成相应的末端执行器变换矩阵At；
步骤34：通过第i个关节轴变换矩阵Ai和末端执行器变换矩阵At分别得出5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，i取值为1、2、…、6；
其中，5轴机器人的运动学正解P5等于A1×A2×A3×A4×A5×At，6轴机器人的运动学正解P6等于A1×A2×A3×A4×A5×A6×At；
步骤35：分别根据5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，相应得出5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程，并根据5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程得到各自的运动学逆解；
其中，5轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure BDA0000538015020000031
6轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure BDA0000538015020000032
步骤36：分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解，其中对应5轴机器人的唯一解即为5轴机器人各关节轴的运动目标位置，对应6轴机器人的唯一解即为6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
进一步地，在步骤3之前还包括如下步骤：
分别配置编码器和数据总线接口给所述工业机器人的各关节轴；所述编码器用于检测各关节轴的当前运动状态并通过数据总线接口传输；
进一步地：
5轴机器人的各关节轴与6轴机器人的各关节轴在不同时间段分别根据第一通道和第二通道的控制实现独立运动；
进一步地：
采用最短路径法分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解。
一种工业机器人的5轴6轴混合控制系统，所述工业机器人包括第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴、第六关节轴和多个杆件；多个所述杆件通过第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴相互串联连接；所述第五关节轴和第六关节轴的末端均安装有末端执行器；所述控制系统包括相互通信的第一通道和第二通道；
所述第一通道和第二通道均包括：
通道配置单元，用于分别配置所述5轴机器人和所述6轴机器人的通道，其中所述5轴机器人对应第一通道，所述6轴机器人对应第二通道；设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴和第五关节轴串联连接的杆件构成5轴机器人，同时设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，第六关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴串联连接的杆件构成6轴机器人；
目标位置获取单元，用于分别获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
和控制单元，用于按照所获取的5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动目标位置，实现对5轴机器人的各关节轴的运动控制，或实现对6轴机器人的各关节轴的运动控制；
进一步地，所述目标位置获取单元包括：
D-H参数表生成模块，用于根据所述工业机器人各杆件尺寸，以及根据各关节轴的当前运动状态，生成D-H参数表，该D-H参数表中包含第i个关节轴的转角θi，第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离ai，第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴线方向的距离di，第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角αi，其中i取值为1、2、…、6；
关节轴变换矩阵生成模块，用于根据所述D-H参数表生成第i个关节轴变换矩阵
Figure BDA0000538015020000041
其中θi为第i个关节轴的转角，ai为 第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离，di为第i个关节轴与第i-1个关节 轴沿轴线方向的距离，αi为第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹 角，i取值为1、2、…、6；
末端执行器变换矩阵生成模块，用于根据末端执行器的尺寸，生成相应的末端执行器变换矩阵At；
运动学正解获取模块，用于通过第i个关节轴变换矩阵Ai和末端执行器变换矩阵At分别得出5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，i取值为1、2、…、6，其中，5轴机器人的运动学正解P5等于A1×A2×A3×A4×A5×At，6轴机器人的运动学正解P6等于A1×A2×A3×A4×A5×A6×At；
运动学逆解获取模块，用于分别根据5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，相应得出5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程，并根据5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程得到各自的运动学逆解；
其中，5轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure BDA0000538015020000042
6轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure BDA0000538015020000051
和唯一解确定模块，用于分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解，其中对应5轴机器人的唯一解即为5轴机器人各关节轴的运动目标位置，对应6轴机器人的唯一解即为6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
进一步地，所述第5关节轴安装的末端执行器为电主轴和松夹装置，所述第6关节轴安装的末端执行器为气动卡具；
进一步地，所述机器人还包括多个用于检测各关节轴的当前运动状态的编码器和连接所述编码器的数据总线接口。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的工业机器人的5轴6轴混合控制方法及其系统，通过5轴和6轴混合控制，进而可实现利用5轴机器人进行材料加工，减小了机械连接柔性，降低了材料加工过程中的振动，利用6轴机器人进行工件搬运，保持了操作的灵活性，有效结合5轴和6轴控制，提高了工业机器人的整体刚性和加工精度。
附图说明
图1是本发明所述混合控制方法的流程图；
图2是本发明所述步骤3的流程图；
图3是本发明所述控制系统的结构框图；
图4是本发明所述工业机器人的结构示意图；
图5是本发明所述混合控制方法在数控系统中的位置和数据流向示意图；
图6是本发明所述机器人各杆件尺寸的示意图；
图7是本发明各关节轴的坐标系示意图；
图中：1、电主轴，2、气动卡具。
具体实施方式
如图1所示的一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法，所述工业机器人包括第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴、第六关节轴和多个杆件；多个所述杆件通过第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴相互串联连接；所述混合控制方法包括如下步骤：
步骤1：在所述第五关节轴和第六关节轴的末端均安装有末端执行器；设定 第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴和第五关节轴串联连接的杆件构成5轴机器人，同时设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，第六关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴串联连接的杆件构成6轴机器人；
步骤2：分别配置所述5轴机器人和所述6轴机器人的通道，其中所述5轴机器人对应第一通道，所述6轴机器人对应第二通道；
步骤3：分别获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
步骤4：按照所获取的5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动目标位置，第一通道实现对5轴机器人的各关节轴的运动控制，第二通道实现对6轴机器人的各关节轴的运动控制；
如图2所示，进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤：
步骤31：根据所述工业机器人各杆件尺寸，以及根据各关节轴的当前运动状态，生成D-H参数表，该D-H参数表中包含第i个关节轴的转角θi，第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离ai，第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴线方向的距离di，第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角αi，其中i取值为1、2、…、6；
步骤32：根据所述D-H参数表生成第i个关节轴变换矩阵
Figure BDA0000538015020000061
其中θi为第i个关节轴的转角，ai为 第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离，di为第i个关节轴与第i-1个关节 轴沿轴线方向的距离，αi为第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹 角，i取值为1、2、…、6；
步骤33：根据末端执行器的尺寸，生成相应的末端执行器变换矩阵At；
步骤34：通过第i个关节轴变换矩阵Ai和末端执行器变换矩阵At分别得出5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，i取值为1、2、…、6；
其中，5轴机器人的运动学正解P5等于A1×A2×A3×A4×A5×At，6轴机器人的运动学正解P6等于A1×A2×A3×A4×A5×A6×At；
步骤35：分别根据5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，相应得出5轴 机器人和6轴机器人的运动学逆解方程，并根据5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程得到各自的运动学逆解；
其中，5轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure BDA0000538015020000071
6轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure BDA0000538015020000072
步骤36：分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解，其中对应5轴机器人的唯一解即为5轴机器人各关节轴的运动目标位置，对应6轴机器人的唯一解即为6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
进一步地，在步骤3之前还包括如下步骤：分别配置编码器和数据总线接口给所述工业机器人的各关节轴；所述编码器用于检测各关节轴的当前运动状态并通过数据总线接口传输；进一步地：5轴机器人的各关节轴与6轴机器人的各关节轴在不同时间段分别根据第一通道和第二通道的控制实现独立运动；进一步地：采用最短路径法分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解。
如图3所示，一种工业机器人的5轴6轴混合控制系统，所述工业机器人包括第一关 节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴、第六关节轴和多个杆件；多个所 述杆件通过第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴 相互串联连接；所述第五关节轴和第六关节轴的末端均安装有末端执行器；所述控制系统 包括相互通信的第一通道和第二通道；所述第一通道和第二通道均包括：通道配置单元，用 于分别配置所述5轴机器人和所述6轴机器人的通道，其中所述5轴机器人对应第一通道，所 述6轴机器人对应第二通道；设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五 关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴和第五关节 轴串联连接的杆件构成5轴机器人，同时设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关 节轴，第五关节轴，第六关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、 第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴串联连接的杆件构成6轴机器人；目标位置获取单 元，用于分别获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置；和控制 单元，用 于按照所获取的5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动目标位置，实现对5轴机器人的 各关节轴的运动控制，或实现对6轴机器人的各关节轴的运动控制；进一步地，所述目标位 置获取单元包括：D-H参数表生成模块，用于根据所述工业机器人各杆件尺寸，以及根据各 关节轴的当前运动状态，生成D-H参数表，该D-H参数表中包含第i个关节轴的转角θi，第i个 关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离ai，第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴 线方向的距离di，第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角αi，其中 i取值为1、2、…、6；关节轴变换矩阵生成模块，用于根据所述D-H参数表生成第i个关节轴变 换矩阵
Figure BDA0000538015020000081
其中θi为第i个关节轴的转角， ai为第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离，di为第i个关节轴与第i-1个 关节轴沿轴线方向的距离，αi为第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间 的夹角，i取值为1、2、…、6；末端执行器变换矩阵生成模块，用于根据末端执行器的尺寸，生 成相应的末端执行器变换矩阵At；运动学正解获取模块，用于通过第i个关节轴变换矩阵Ai 和末端执行器变换矩阵At分别得出5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，i取值为1、2、…、 6，其中，5轴机器人的运动学正解P5等于A1×A2×A3×A4×A5×At，6轴机器人的运动学正解P6 等于A1×A2×A3×A4×A5×A6×At；运动学逆解获取模块，用于分别根据5轴机器人和6轴机 器人的运动学正解，相应得出5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程，并根据5轴机器人 和6轴机器人的运动学逆解方程得到各自的运动学逆解；其中，5轴机器人的运动学逆解方 程为
Figure BDA0000538015020000082
6轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure BDA0000538015020000083
和唯一解确定模块，用于分别从5轴机器 人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解，其中对应5轴机器人的唯一解即为 5轴机器人各关节轴的运动目标位置，对应6轴机器人的唯一解即为6轴机器人各关节轴的 运动目标位置；进一步地，所述第5关节轴安装的末端执行器为电主轴和松夹装置，所述第6 关节轴安装的末端执行器为气动卡具；进一步地，所述机器人还包括多个用于检测各关节 轴的当前运动状态 的编码器和连接所述编码器的数据总线接口。
本发明所述步骤2具体为：建立第一通道的笛卡尔坐标系逻辑轴(X，Y，Z，A，B，C)与5轴机器人的各关节轴之间的对应关系，当所述第5关节轴安装的末端执行器为电主轴1和松夹装置时，还建立逻辑主轴S、刀库轴MAG和电主轴、刀库轴的对应关系；建立第二通道的笛卡尔坐标系逻辑轴(X，Y，Z，A，B，C)与6轴机器人的各关节轴之间的对应关系；另外，还包括分别配置编码器和数据总线接口给所述工业机器人的各关节轴，当所述第5关节轴安装的末端执行器为电主轴1和松夹装置时，还同时配置编码器和数据总线接口给电主轴和刀库轴；每一关节轴均配置有编码器，同时在编码器配置项中绑定映射地址作为数据总线接口；第一通道中各轴的定义：S表示电主轴，MAG表示刀库轴，X、Y、Z、A、B、C表示机器人的逻辑轴；第二通道中各轴的定义：X、Y、Z、A、B、C表示机器人的逻辑轴。
图4示出了本发明所述工业机器人的结构示意图，当本发明应用于材料加工领域时，如图4所示，所述第5关节轴安装的末端执行器可以为电主轴1和松夹装置，用于材料加工；所述第6关节轴安装的末端执行器可以为气动卡具2，用于辅料搬运。
本发明设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴和第五关节轴串联连接的杆件构成5轴机器人，同时设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，第六关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴串联连接的杆件构成6轴机器人，进而采用多通道控制技术，针对5轴机器人控制和6轴机器人控制各配置一个通道对象，进而形成双通道控制方式，第一通道和第二通道在逻辑上相对独立，在物理上控制同一个工业机器人，两通道间可以相互通信，完成双通道的控制任务；第一通道和第二通道的工作过程具体如下：
①第一通道和第二通道进入准备好状态；
②第一通道控制末端执行器如卡具把待加工的工件搬运到加工工位，并发出工件到位信号给第二通道，同时等待回答信号；
③第二通道获得工件到位信号后，选择刀具并按照工件加工程序加工工件，待工件加工完毕后发出加工完毕信号给第一通道，同时等待回答信号；
④第一通道获得加工完毕信号后，将工件从加工工位取下并放入成品工位；
⑤跳转至步骤2循环执行，直至所有待加工工件均加工完毕，则结束。
同时，5轴机器人的各关节轴与6轴机器人的各关节轴在不同时间段分别根据第一通道和第二通道的控制实现独立运动；在步骤①之前分别为5轴机器人和6轴机器人编写用户程序，该用户程序包含了5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动轨迹设定以及第一通道和第二通道的同步信号。
另外，本发明所述第一通道和第二通道可对进行5轴机器人控制或6轴机器人控制进行选择，图5示出了本发明所述混合控制方法在数控系统中的位置和数据流向示意图，如图5所示，每一通道对象均同时集成了5轴控制方法和6轴控制方法。
图6示出了本发明所述机器人各杆件尺寸的示意图，图7示出了本发明各关节轴的坐标系示意图，所述D-H参数表如表1所示，该D-H参数表中包含第i个关节轴的转角θi，即第i个关节轴坐标系相对于第i-1关节坐标系绕Z轴旋转角度，第i个关节轴各自与其相邻的下一关节轴之间的轴线距离ai，第i个关节轴分别与末端执行器之间的距离di，即第i个关节轴坐标系原点沿第i-1关节轴坐标系Z轴方向的值，第i个关节轴的轴线各自与其相邻的下一关节轴的轴线之间的夹角αi，即第i个关节轴坐标系相对于第i-1关节轴坐标系绕X轴旋转角度，其中i取值为1、2、…、6，其中d2、d3、d5取值为0，a4～a6取值为0，α2、α6取值为0，d1对应杆件尺寸565，d4对应杆件尺寸1016，取值为-1016(因为第6关节轴坐标系原点在第5关节轴坐标系中沿Z轴的负方向)，d6对应杆件尺寸175，取值为-175(因为第6关节轴坐标系原点在第5关节轴坐标系中沿Z轴的负方向)，a1～a3分别对应杆件尺寸150、870、170；所述工业机器人各杆件尺寸为工业机器人的已知设计参数，第i个关节轴的转角θi根据各关节轴的当前运动状态得出，由编码器测出；α1＝-90°，α3＝90°，α4＝-90°，α5＝90°；另外，末端执行器的尺寸为末端执行器相对于工业机器人末端关节轴的偏移尺寸，参数形式可由6个实数数值构成。
表1.D-H参数表。
第i轴 θ d a α
1 θ<sub>1</sub> d<sub>1</sub> a<sub>1</sub> α<sub>1</sub>
2 θ<sub>2</sub> 0 a<sub>2</sub> 0
3 θ<sub>3</sub> 0 a<sub>3</sub> α<sub>3</sub>
4 θ<sub>4</sub> d<sub>4</sub> 0 α<sub>4</sub>
5 θ<sub>5</sub> 0 0 α<sub>5</sub>
6 θ<sub>6</sub> d<sub>6</sub> 0 0
本发明采用最短路径法分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解，进而获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置，该运动目标位置是对应工业机器人末端到达指定位置和姿态时对应的位置，对于每个机器人末端要到达的位姿，最多可得到8个运动学逆解，每个逆解对应工业机器人6个关节值构成的矢量Vn(θn1,θn2,θn3,θn4,θn5,θn6)，n取值为1、2、…、8，分量θni对应第i关节轴的运动目标位置，i取值为1、2、…、6；假设工业机器人当前的6个关节矢量为Vc，Vc的组成是(θc1,θc2,θc3,θc4,θc5,θc6)，其中分量θci对应第i关节轴的当前位置，i取值为1、2、…、6。
根据各关节轴的目标位置与当前位置的增量值的大小，即ΔV＝Vn-Vc＝(θn1-θc1,θn2-θc2,θn3-θc3,θn4-θc4,θn5-θc5,θn6-θc6)，进一步地，分别求出Rn＝|θn1-θc1|+|θn2-θc2|+|θn3-θc3|+|θn4-θc4|+|θn5-θc5|+|θn6-θc6|，即Rn为所述增量值的绝对值之和，n取值为1、2、…、8，进而将R＝min(R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8)所对应的运动学逆解作为唯一解，若R1～R8中有多个最小值,则Vn选取排列序数小的值；
另外还可以结合各关节轴的权值来进行最短路径法的计算，若为每个关节轴分配权值wi，0＜wi≤1，则Rn＝w1×|θn1-θc1|+w2×|θn2-θc2|+w3×|θn3-θc3|+w4×|θn4-θc4|+w5×|θn5-θc5|+w6×|θn6-θc6|；第一通道和第二通道均包括唯一解确定模块，该唯一解确定模块分别利用最短路径法从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解。
本发明提供的工业机器人的5轴6轴混合控制方法及其系统，通过5轴和6轴混合控制，进而可实现利用5轴机器人进行材料加工，减小了机械连接柔性，降低了材料加工过程中的振动，利用6轴机器人进行工件搬运，保持了操作的灵活性，有效结合5轴和6轴控制，提高了工业机器人的整体刚性和加工精度；采用多通道控制技术能够完成用户更复杂的任务；另外，本发明每个通道可配置多个轴，比如可以在一个通道上配置电主轴和伺服刀库轴等多个辅助轴，进 而，工业机器人、电主轴、刀具松夹装置、伺服刀库和气动卡具组合成一个完整的材料加工系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法，所述工业机器人包括第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴、第六关节轴和多个杆件；多个所述杆件通过第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴相互串联连接；其特征在于所述混合控制方法包括如下步骤：
步骤1：在所述第五关节轴和第六关节轴的末端均安装有末端执行器；设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴和第五关节轴串联连接的杆件构成5轴机器人，同时设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，第六关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴串联连接的杆件构成6轴机器人；
步骤2：分别配置所述5轴机器人和所述6轴机器人的通道，其中所述5轴机器人对应第一通道，所述6轴机器人对应第二通道；
步骤3：分别获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
步骤4：按照所获取的5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动目标位置，第一通道实现对5轴机器人的各关节轴的运动控制，第二通道实现对6轴机器人的各关节轴的运动控制；
所述步骤3具体包括如下步骤：
步骤31：根据所述工业机器人各杆件尺寸，以及根据各关节轴的当前运动状态，生成D-H参数表，该D-H参数表中包含第i个关节轴的转角θi，第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离ai，第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴线方向的距离di，第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角αi，其中i取值为1、2、…、6；
步骤32：根据所述D-H参数表生成第i个关节轴变换矩阵
Figure FDA0002157694150000011
其中θi为第i个关节轴的转角，ai为第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离，di为第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴线方向的距离，αi为第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角，i取值为1、2、…、6；
步骤33：根据末端执行器的尺寸，生成相应的末端执行器变换矩阵At；
步骤34：通过第i个关节轴变换矩阵Ai和末端执行器变换矩阵At分别得出5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，i取值为1、2、…、6；
其中，5轴机器人的运动学正解P5等于A1×A2×A3×A4×A5×At，6轴机器人的运动学正解P6等于A1×A2×A3×A4×A5×A6×At；
步骤35：分别根据5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，相应得出5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程，并根据5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程得到各自的运动学逆解；
其中，5轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure FDA0002157694150000021
6轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure FDA0002157694150000022
步骤36：分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解，其中对应5轴机器人的唯一解即为5轴机器人各关节轴的运动目标位置，对应6轴机器人的唯一解即为6轴机器人各关节轴的运动目标位置。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法，其特征在于在步骤3之前还包括如下步骤：
分别配置编码器和数据总线接口给所述工业机器人的各关节轴；所述编码器用于检测各关节轴的当前运动状态并通过数据总线接口传输。
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法，其特征在于：
5轴机器人的各关节轴与6轴机器人的各关节轴在不同时间段分别根据第一通道和第二通道的控制实现独立运动。
4.根据权利要求1所述的一种工业机器人的5轴6轴混合控制方法，其特征在于：
采用最短路径法分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解。
5.一种工业机器人的5轴6轴混合控制系统，所述工业机器人包括第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴、第六关节轴和多个杆件；多个所述杆件通过第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴相互串联连接；其特征在于，所述第五关节轴和第六关节轴的末端均安装有末端执行器；所述控制系统包括相互通信的第一通道和第二通道；
所述第一通道和第二通道均包括：
通道配置单元，用于分别配置所述5轴机器人和所述6轴机器人的通道，其中所述5轴机器人对应第一通道，所述6轴机器人对应第二通道；设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴和第五关节轴串联连接的杆件构成5轴机器人，同时设定第一关节轴，第二关节轴，第三关节轴，第四关节轴，第五关节轴，第六关节轴，以及多个通过所述第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴和第六关节轴串联连接的杆件构成6轴机器人；
目标位置获取单元，用于分别获取所述5轴机器人和6轴机器人各关节轴的运动目标位置；
和控制单元，用于按照所获取的5轴机器人和6轴机器人的各关节轴的运动目标位置，实现对5轴机器人的各关节轴的运动控制，或实现对6轴机器人的各关节轴的运动控制。
6.根据权利要求5所述的一种工业机器人的5轴6轴混合控制系统，其特征在于所述目标位置获取单元包括：
D-H参数表生成模块，用于根据所述工业机器人各杆件尺寸，以及根据各关节轴的当前运动状态，生成D-H参数表，该D-H参数表中包含第i个关节轴的转角θi，第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离ai，第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴线方向的距离di，第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角αi，其中i取值为1、2、…、6；
关节轴变换矩阵生成模块，用于根据所述D-H参数表生成第i个关节轴变换矩阵
Figure FDA0002157694150000031
其中θi为第i个关节轴的转角，ai为第i个关节轴与其相邻的第i-1个关节轴之间的轴线距离，di为第i个关节轴与第i-1个关节轴沿轴线方向的距离，αi为第i个关节轴的轴线与其相邻的第i-1个关节轴的轴线之间的夹角，i取值为1、2、…、6；
末端执行器变换矩阵生成模块，用于根据末端执行器的尺寸，生成相应的末端执行器变换矩阵At；
运动学正解获取模块，用于通过第i个关节轴变换矩阵Ai和末端执行器变换矩阵At分别得出5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，i取值为1、2、…、6，其中，5轴机器人的运动学正解P5等于A1×A2×A3×A4×A5×At，6轴机器人的运动学正解P6等于A1×A2×A3×A4×A5×A6×At；
运动学逆解获取模块，用于分别根据5轴机器人和6轴机器人的运动学正解，相应得出5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程，并根据5轴机器人和6轴机器人的运动学逆解方程得到各自的运动学逆解；
其中，5轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure FDA0002157694150000041
6轴机器人的运动学逆解方程为：
Figure FDA0002157694150000042
和唯一解确定模块，用于分别从5轴机器人和6轴机器人的多个运动学逆解中确定各自的唯一解，其中对应5轴机器人的唯一解即为5轴机器人各关节轴的运动目标位置，对应6轴机器人的唯一解即为6轴机器人各关节轴的运动目标位置。
7.根据权利要求5所述的一种工业机器人的5轴6轴混合控制系统，其特征在于所述第5关节轴安装的末端执行器为电主轴和松夹装置，所述第6关节轴安装的末端执行器为气动卡具。
8.根据权利要求5所述的一种工业机器人的5轴6轴混合控制系统，其特征在于所述机器人还包括多个用于检测各关节轴的当前运动状态的编码器和连接所述编码器的数据总线接口。
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