CN105773621A - 一种冲压机器人多工位快速运动算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冲压机器人多工位快速运动算法，随着社会的发展，目前人力成本越来越高，单纯靠劳动力得的手工生产和制造已经远远不能满足工业上的需求，冲压机器人逐步取代原始机械冲压，成为工业发展的新动力。本发明的算法，将先进制造与数控技术相结合，使冲压机器人实现快速自动抓取，快速自动定位，自动感知分析，快速自动加工，快速自动输送等全自动功能，大大降低了对劳动力数量和能力的要求。

Description

一种冲压机器人多工位快速运动算法

技术领域

本发明涉及工业机器人算法领域,尤其涉及一种冲压机器人多工位快速运动算法。

背景技术

自从冲压机器人技术开始发展，在1980年代工业机器人已成功的应用于汽车制造业等产业，在机械人技术领域是应用范围最广泛的自动化机械装置，而许多工业危险之组装、喷漆、焊接、高温铸锻等繁重工作，皆能以机器人取代人工作业。目前冲压机器人在机器人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，除了主要用于工业制造上，商业农业、模具制造、产品生产、军事保全甚至在太空探索等领域都可以发现其应用装置。

冲压机器人在产业自动化的应用已经相当广泛，因为各个国家产业分布的不同，以及各产业对于机械手臂的需求量也有差异。主要是使用于人工无法进行或者会耗费较多时间来做的工作，机器人手臂在精度与耐用性上可以减少许人为的不可预知问题。自从第一台工业用机器人发明以来，冲压机器人的应用也从原本的汽车工业、模具制造、电子制程等相关产业，更拓展到农业、医疗、服务业等等。

冲压机器人多工位快速运动算法研发方面，多工位快速运动机器人广泛应用于汽车制造商、汽车零组件与电子相关产业。机器人可以提升产品技术与品质，而这些初期工作大多可以借由机器人手臂来完成。机器人手臂的精准、零误差，对于产品的品质掌握自然拥有其优势，减少品管所花费的时间与人力。工业应用上，以装配、加工、熔接、切削、加压、货物搬运、检测等。

随着社会的发展，目前人力成本越来越高，单纯靠劳动力得的手工生产和制造已经远远不能满足工业上的需求，冲压机器人逐步取代原始机械冲压，成为工业发展的新动力。本发明的算法，将先进制造与数控技术相结合，使冲压机器人实现快速自动抓取，快速自动定位，自动感知分析，快速自动加工，快速自动输送等全自动功能，大大降低了对劳动力数量和能力的要求。

发明内容

发明主要是解决现有产品所存在的技术问题，从而提供一种冲压机器人多工位快速运动算法，其特征是，实现冲压过程中无需人的参与，自动地进行快速平移、旋转、拿取和放置运动，提高冲压机器人的高速化、流程化；该快速运动算法使用在冲压机器人中，具体包括：

压机器人的DH运动算法中每个关节设置四个参数，即α、d、a、θ，冲压机器人的几何误差的校准需要用到雅可比矩阵，需要根据DH运动学算法建立机械手末端工具位姿（X、Y、Z、U、V、W）与连杆参数（α、d、a、θ）的微分关系；

压机器人手抓工作时定义a、b、c分别是拇指、食指、中指的指尖，ad垂直于bc交bc于d。三指手在抓取物体时，三个手指的指尖在一个圆o’上，手掌上三个手指的指跟在一个圆o上。因为三个手指的前关节长度相等都为?1，后关节长度也都相等为?2，且前后指长度相等，即?1＝?2＝50mm，三指所在圆的直径为80mm，则有圆o’和圆o平行，圆o’的原点o’和圆o的原点o连线o’o垂直于手掌平面。操作点o’距离手掌中心o的距离；

冲压机器人的姿态可用固接于末端执行器的坐标系相对于基坐标系的方位来计算，此坐标系O-x1y1z1的原点在三指手的指跟内切圆的中心线上，描述手爪方向的三个单位矢量的指向如下：z1向矢量处于夹持器接近物体的方向上;

以把冲压机器人的机械手看作是一系列由关节连接起来的连杆构成的，每个关节的运动都对冲压机器人末端执行器的最终位置和姿态有所影响，为机械手的每一个连杆在关节处固接一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系之间的相对位置和姿态，如果A₁表示第一个连杆上固接坐标系相对于基系基系的齐次变换矩阵，A₂表示第二个连杆上固接坐标系相对于第一个连杆固接坐标系的位置和姿态的齐次变换矩阵，则T₂=A₁表示第二个连杆上固接坐标系在基系中的位姿，同理，如果A₃表示第三个连杆上固接坐标系相对于第二个连杆固接坐标系位姿的齐次变换矩阵，则T₃=A₁A₂A₃表示第三个连杆上固接坐标系在基系中的位姿；

拥有快速冲压多工位的自由度的冲压机器人，描述其末端执行器在基系中的位姿矩阵为：T₆=A₁A₂A₃A₄A₅A₆，其中An（n=1,…,6）表示第n个连杆上固接坐标系相对于第n-1个连杆上固接坐标系的位姿矩阵，个连杆含有一个自由度，并能在其运动范围内任意定位与定向，其中三个自由度用于规定位置，而另外三个自由度用来规定姿态。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种冲压机器人多工位快速运动算法手抓工作时角度和工作速度分析图；

图2为本发明一种冲压机器人多工位快速运动算法手抓运动姿态分析图；

图3为本发明一种冲压机器人多工位快速运动算法手臂几何结构图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显

然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的

实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，

都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，对本发明的实施例进行说明。

本发明实施例中，一种冲压机器人多工位快速运动算法，其特征是，实现冲压过程中无需人的参与，自动地进行快速平移、旋转、拿取和放置运动，提高冲压机器人的高速化、流程化；该快速运动算法使用在冲压机器人中，具体包括：

压机器人的DH运动算法中每个关节设置四个参数，即α、d、a、θ，冲压机器人的几何误差的校准需要用到雅可比矩阵，需要根据DH运动学算法建立机械手末端工具位姿（X、Y、Z、U、V、W）与连杆参数（α、d、a、θ）的微分关系。

压机器人手抓工作时定义a、b、c分别是拇指、食指、中指的指尖，ad垂直于bc交bc于d。三指手在抓取物体时，三个手指的指尖在一个圆o’上，手掌上三个手指的指跟在一个圆o上。因为三个手指的前关节长度相等都为?1，后关节长度也都相等为?2，且前后指长度相等，即?1＝?2＝50mm，三指所在圆的直径为80mm，则有圆o’和圆o平行，圆o’的原点o’和圆o的原点o连线o’o垂直于手掌平面。操作点o’距离手掌中心o的距离。

冲压机器人的姿态可用固接于末端执行器的坐标系相对于基坐标系的方位来计算，此坐标系O-x1y1z1的原点在三指手的指跟内切圆的中心线上，描述手爪方向的三个单位矢量的指向如下：z1向矢量处于夹持器接近物体的方向上。

以把冲压机器人的机械手看作是一系列由关节连接起来的连杆构成的，每个关节的运动都对冲压机器人末端执行器的最终位置和姿态有所影响，为机械手的每一个连杆在关节处固接一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系之间的相对位置和姿态，如果A₁表示第一个连杆上固接坐标系相对于基系基系的齐次变换矩阵，A₂表示第二个连杆上固接坐标系相对于第一个连杆固接坐标系的位置和姿态的齐次变换矩阵，则T₂=A₁表示第二个连杆上固接坐标系在基系中的位姿，同理，如果A₃表示第三个连杆上固接坐标系相对于第二个连杆固接坐标系位姿的齐次变换矩阵，则T₃=A₁A₂A₃表示第三个连杆上固接坐标系在基系中的位姿。

拥有快速冲压多工位的自由度的冲压机器人，描述其末端执行器在基系中的位姿矩阵为：T₆=A₁A₂A₃A₄A₅A₆，其中An（n=1,…,6）表示第n个连杆上固接坐标系相对于第n-1个连杆上固接坐标系的位姿矩阵，个连杆含有一个自由度，并能在其运动范围内任意定位与定向，其中三个自由度用于规定位置，而另外三个自由度用来规定姿态。

控制部分核心器件是美国Cypress公司最新推出的PSoC芯片，PSoC微控制器和其他的微控制器相比具有独特的性能,它不仅是具有模拟模块的微控制器，而且，它完全可以作为一个片内印刷电路板来使用，PSoC片内有1个高速的8位Harvard结构处理器内(M8CCPUCore)，它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24MHz。同时，它还具有1个快闪内存、SRAM数据内存以及可配制的模拟模块阵列和数字模块阵列。每一个PSoC模块都能够独立或者组合使用，并融合了一些DSP技术来实现复杂算法的功能。其中12个PSoC模拟模块可以提供11位Δ-∑模数转换、8位逐次逼近式模数转换、12位增量式模数转换、8位直接数模转换、可编程增益放大器、采样和保持功能、可编程滤波器、差分比较器和片内温度传感器等功能；8个数字PSoC模块不仅提供多用途时钟、算法调试器、实时时钟、脉宽调制PWM和DEADBAND脉宽调制PWM，还可以组合实现循环冗余核对CRC模块、全双工UARTS、SPI主从通信功能以及为模拟PSoC模块提供复杂的时钟源；并且内部带8×8的乘法器和32位加法器，可以满足复杂算法设计的要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而不是全部的实施例，并不用以限制本发明。对于所属领域的普通技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而不是全部的实施例，并不用以限制本发明。对于所属领域的普通技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种冲压机器人多工位快速运动算法，其特征是，实现冲压过程中无需人的参与，自动地进行快速平移、旋转、拿取和放置运动，提高冲压机器人的高速化、流程化；该快速运动算法使用在冲压机器人中，具体包括：

a冲压机器人的DH运动算法中每个关节设置四个参数，即α、d、a、θ，冲压机器人的几何误差的校准需要用到雅可比矩阵，需要根据DH运动学算法建立机械手末端工具位姿（X、Y、Z、U、V、W）与连杆参数（α、d、a、θ）的微分关系；

b冲压机器人手抓工作时定义a、b、c分别是拇指、食指、中指的指尖，ad垂直于bc交bc于d；

三指手在抓取物体时，三个手指的指尖在一个圆o’上，手掌上三个手指的指跟在一个圆o上；

因为三个手指的前关节长度相等都为?1，后关节长度也都相等为?2，且前后指长度相等，即?1＝?2＝50mm，三指所在圆的直径为80mm，则有圆o’和圆o平行，圆o’的原点o’和圆o的原点o连线o’o垂直于手掌平面；

操作点o’距离手掌中心o的距离；

c冲压机器人的姿态可用固接于末端执行器的坐标系相对于基坐标系的方位来计算，此坐标系O-x1y1z1的原点在三指手的指跟内切圆的中心线上，描述手爪方向的三个单位矢量的指向如下：z1向矢量处于接近物体的方向上;

d以把冲压机器人的机械手看作是一系列由关节连接起来的连杆构成的，每个关节的运动都对冲压机器人末端执行器的最终位置和姿态有所影响，为机械手的每一个连杆在关节处固接一个坐标系，并用齐次变换来描述这些坐标系之间的相对位置和姿态，如果A₁表示第一个连杆上固接坐标系相对于基系基系的齐次变换矩阵，A₂表示第二个连杆上固接坐标系相对于第一个连杆固接坐标系的位置和姿态的齐次变换矩阵，则T₂=A₁表示第二个连杆上固接坐标系在基系中的位姿，同理，如果A₃表示第三个连杆上固接坐标系相对于第二个连杆固接坐标系位姿的齐次变换矩阵，则T₃=A₁A₂A₃表示第三个连杆上固接坐标系在基系中的位姿；

e拥有快速冲压多工位的自由度的冲压机器人，描述其末端执行器在基系中的位姿矩阵为：T₆=A₁A₂A₃A₄A₅A₆，其中An（n=1,…,6）表示第n个连杆上固接坐标系相对于第n-1个连杆上固接坐标系的位姿矩阵，个连杆含有一个自由度，并能在其运动范围内任意定位与定向，其中三个自由度用于规定位置，而另外三个自由度用来规定姿态。