CN106272429B - 一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法。在添加龙门式外部直线附加轴与工业机器人的6个关节联动的冗余工作单元和固定的工作平台基础上，对沿附加轴上固连机器人底座的滑台运动方向单调变化的一段加工轨迹点，手动选取此加工轨迹点上的两个点作为优先区间的端点。通过点到空间直线的投影原理，获得滑台移动起始点。通过设定滑台步长，获得滑台移动中间点及滑台移动终止点，即得到滑台与优先区间内加工轨迹点对应的各移动位置到附加轴零点的距离。机器人加工优先区间内的轨迹点时滑台的移动优先于机器人各关节的运动。所述方法可减少机器人关节变化幅度，使得机器人运动连续平稳，适用于机器人加工连续而密集的轨迹点。

Description

一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法
技术领域
本发明涉及一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法，属于工业机器人冗余工作空间控制领域。
背景技术
随着工业机器人逐渐在工业生产中被广泛应用，扩大工业机器人的加工范围这一需求日益凸显。在许多机器人应用领域，如基于工业机器人的大型模具倒角表面感应淬火系统中，由于工作对象尺寸较大，因此需要为工业机器人添加外部直线附加轴来扩大机器人的工作范围。并且，采用机器人倒吊安装在龙门式附加轴上的方式，可有效应用于以往不能使用的机器人安装区域。
经对现有技术的文献检索发现，目前控制机器人附加轴运动模式有分站式任务规划与控制方法，即机器人只在附加轴的几个特定的站位工作，这种方法虽然能实现对产品整个加工范围的覆盖，但在某站点上加工其对应加工范围内的连续轨迹点时，机器人自身的关节变化幅度大，且当需要加工下一站点对应的加工范围时，需等待机器人从一个站点移动到另一个站点，因此该方法适合的作业对象是大型工件上较离散的轨迹点，如基于工业机器人的自动钻铆。但针对大型工件上连续而密集的加工轨迹点作业，如对大型模具倒角表面感应淬火则需要工业机器人处于连续的平稳运动状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法，在添加龙门式外部直线附加轴与工业机器人的6个关节联动的冗余工作单元和固定的工作平台基础上，对沿附加轴上固连机器人底座的滑台运动方向单调变化的一段加工轨迹点，通过手动选取此加工轨迹点上的两个点a、b作为此区间的端点，机器人加工区间[a,b]内的轨迹点时滑台的移动优先于机器人各关节的运动。在此基础上规划满足附加轴运动范围的滑台与加工轨迹点对应的各移动位置关系。所述方法可减少机器人关节变化幅度，使得机器人运动连续平稳，适用于机器人加工连续而密集的轨迹点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法，使得附加轴滑台的移动优先于机器人各关节的运动，该附加轴包括直线导轨和滑台，该方法包括如下步骤：
步骤1：在工作台上建立用户坐标系{OU XU YU ZU}；在直线导轨的零点M处建立导轨零点坐标系{OH XH YH ZH}，其中OX轴线方向，即直线导轨轴线方向为滑台运动方向；在滑台下表面中心处建立滑台坐标系{OA XA YA ZA}；
步骤2：在沿滑台运动方向单调变化的一段加工轨迹点中手动选取两个轨迹点a、b作为区间的端点；
步骤3：根据点到空间直线的投影原理，将区间[a,b]的左端点a投影到直线导轨轴线上，获得滑台移动起始点A；
根据直线导轨的零点M(x1,y1,z1)和直线导轨的终止点N(x2,y2,z2)，直线导轨轴线直线参数方程为：
x＝x1+mt
y＝y1+nt
z＝z1+lt
其中，m＝x2-x1，n＝y2-y1，l＝z2-z1，t为参数；
则滑台移动起始点在直线导轨轴线上表示为A(x1+mt,y1+nt,z1+lt)，
设区间[a,b]的左端点为a(x3,y3,z3)，参数t为：
步骤4：判断滑台移动起始点A(x1+mt,y1+nt,z1+lt)是否在以直线导轨零点M和终止点N为端点的直线段MN上；若点A不在线段MN上，则回到步骤2，重新选取区间[a,b]的左端点a；若点A在线段MN上，根据两点间距离公式，计算得滑台移动起始点A到直线导轨零点M的距离D1：
步骤5：通过区间[a,b]获得该区间内轨迹点的个数n，从滑台移动起始点A处沿滑台移动方向叠加n-1个滑台移动的步长△d，获得n-2个滑台移动中间点到直线导轨零点M的距离D2，D3，……Dn-1，以及滑台移动终止点B到直线导轨零点M的距离Dn；
机器人加工区间[a,b]内轨迹点使滑台坐标系{OA XA YA ZA}原点依次与滑台移动起始点A、n-2个滑台移动中间点、滑台移动终止点B重合，即得到滑台与区间[a,b]内加工轨迹点对应的各移动位置到直线导轨零点M的距离D；
步骤6：根据直线导轨行程L，判断滑台移动终止点B到直线导轨零点M的距离Dn是否超出直线导轨行程L，若Dn>L，则回到步骤5，减小步长△d，直至Dn<L或Dn＝L；若Dn<L或Dn＝L，即建立滑台与区间[a,b]内加工轨迹点对应的各移动位置关系；
步骤7：对区间[a,b]以外的加工轨迹点，加工离端点a近的轨迹点时，滑台在移动起始点A处；加工离端点b近的轨迹点时，滑台在移动终止点B处，至此，得到滑台与所有加工轨迹点对应的各移动位置到直线导轨零点M的距离D值，即完成建立龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划模型。
本发明具有如下技术效果：
i)对不同型号的工业机器人和不同尺寸的工作对象，都能确定滑台与加工轨迹点对应的各移动位置，扩大机器人的工作范围，提高机器人的工作适应性。
ii)该一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法，可脱离专业机器人仿真软件，在CAD软件环境里就可以实现。
iii)因滑台的移动优先于机器人各关节的运动，可减少使机器人关节变化，使得机器人运动连续平稳，适用于机器人加工连续而密集的轨迹点。
附图说明
图1为本发明的龙门式吊装机器人工作单元平台原理图。
图2为本发明的龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法的流程示意图。
图3为本发明的龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划模型示意图。
具体实施方式
以下对发那科1-M-20iA型号机器人为例，结合附图详细叙述本发明的实施例。
如图1所示，龙门式吊装机器人工作单元由直线导轨1、滑台2、工业机器人3、工作台4、加工轨迹点5组成。
如图2所示，一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法，该附加轴包括直线导轨和滑台，包括如下步骤：
第一步：如图3所示，在工作台上建立用户坐标系{OU XU YU ZU}；在直线导轨零点M处建立导轨零点坐标系{OH XH YH ZH}，OX轴线方向为滑台运动方向(即导轨轴线方向)；在滑台下表面中心处建立滑台坐标系{OA XA YA ZA}。
第二步：在沿滑台运动方向单调变化的29个加工轨迹点中手动选取两个轨迹点P4(从左至右数第4个点)、P22(从左至右数第22个点)作为区间[P4，P22]的端点。29个轨迹点在用户坐标系{OU XU YU ZU}内的坐标值如下表所示：
轨迹点 x y z
P1 -221.075 321.736 23.376
P2 -191.179 324.948 23.140
P3 -162.445 326.282 23.130
P4 -128.099 326.356 23.129
P5 -95.528 326.347 23.197
P6 -64.824 326.300 23.528
P7 -34.119 326.214 24.136
P8 -3.193 326.141 24.656
P9 27.735 326.126 24.768
P10 58.606 326.168 24.469
P11 89.386 326.273 23.715
P12 120.148 326.443 22.502
P13 150.886 326.677 20.839
P14 181.595 326.972 18.735
P15 212.543 327.322 16.240
P16 243.175 327.695 13.587
P17 273.509 328.017 11.301
P18 303.880 328.279 9.437
P19 334.281 328.483 7.992
P20 364.706 328.628 6.961
P21 395.148 328.716 6.340
P22 425.601 328.746 6.125
P23 456.056 328.720 6.311
P24 486.509 328.637 6.896
P25 516.952 328.499 7.874
P26 547.378 328.307 9.243
P27 577.781 328.060 10.996
P28 607.570 327.805 12.819
P29 636.967 327.687 13.662
第三步：根据点到空间直线的投影原理将区间[P4，P22]的左端点P4投影到直线导轨轴线上，获得滑台移动起始点A。
根据直线导轨零点M(-2500，0,2000)和直线导轨终止点N(2500,0,2000)，导轨轴线直线参数方程为：
x＝x1+mt＝-2500+5000t
y＝y1+nt＝0+0t
z＝z1+lt＝2000+0t
其中，m＝x2-x1，n＝y2-y1，l＝z2-z1，t为参数。
则滑台移动起始点在导轨轴线上可以表示为A(x1+mt,y1+nt，z1+lt),
已知区间[P4，P22]的左端点P4(-128.099,326.356,23.129)，式中：
即得到滑台起始点A(-128.099，0，2000)
第四步：滑台移动的起始点A(-128.099，0，2000)在由直线导轨零点M(-2500，0,2000)和直线导轨终止点N(2500,0,2000)为端点的直线段MN上。根据两点间距离公式，计算得滑台移动的起始点A到直线导轨零点M的距离D1：
第五步：通过区间[P4，P22]获得该区间内轨迹点的个数为19，从滑台移动起始点A处叠加n-1个滑台移动的步长△d＝30mm，获得n-2个滑台移动中间点到直线导轨零点M的距离及滑台移动终止点B到直线导轨零点M的距离Dn。
机器人加工区间[P4，P22]内轨迹点时滑台坐标系{OA XA YA ZA}原点依次与滑台移动起始点A、滑台移动中间点、滑台移动终止点B重合。即滑台与区间[P4，P22]内加工轨迹点对应的各移动位置到直线导轨零点M的距离D如下表所示：
第六步：滑台移动终止点B到直线导轨零点M的距离Dn＝2911.901，直线导轨行程L＝5000mm。因为Dn<L，即可以按第五步中滑台各移动位置到直线导轨零点M的距离D值，建立滑台与区间[P4，P22]内加工轨迹点对应的各移动位置关系。
第七步：对区间[P4，P22]以外的轨迹点，加工离左端点P4近的轨迹点时(即轨迹点P1-P3)滑台在移动起始点A处，加工离右端点P22近的轨迹点时(即轨迹点P23-P29)滑台在移动终止点B处。至此，得到滑台与所有加工轨迹点对应的各移动位置到直线导轨零点M的距离D，即建立如下龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划模型：
所述的一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法，有效扩大了工业机器人的加工范围，该方法因附加轴上滑台的移动优先于机器人各关节运动，可减少使机器人关节变化，使得机器人运动连续平稳，适用于机器人加工连续而密集的轨迹点。

Claims (1)

1.一种龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划方法，该附加轴包括直线导轨(1)和滑台(2)，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：在工作台(4)上建立用户坐标系{OU XU YU ZU}；在直线导轨(1)的零点M处建立导轨零点坐标系{OH XH YH ZH}，其中OX轴线方向，即直线导轨(1)轴线方向为滑台(2)运动方向；在滑台(2)下表面中心处建立滑台坐标系{OA XA YA ZA}；
步骤2：在沿滑台(2)运动方向单调变化的一段加工轨迹点(5)中手动选取两个轨迹点a、b作为区间的端点；
步骤3：根据点到空间直线的投影原理，将区间[a,b]的左端点a投影到直线导轨(1)轴线上，获得滑台(2)移动起始点A；
根据直线导轨(1)的零点M(x1,y1,z1)和直线导轨(1)的终止点N(x2,y2,z2)，直线导轨(1)轴线直线参数方程为：
x＝x1+mt
y＝y1+nt
z＝z1+lt
其中，m＝x2-x1，n＝y2-y1，l＝z2-z1，t为参数；
则滑台(2)移动起始点在直线导轨(1)轴线上表示为A(x1+mt,y1+nt,z1+lt)，
设区间[a,b]的左端点为a(x3,y3,z3)，参数t为：
步骤4：判断滑台(2)移动起始点A(x1+mt,y1+nt,z1+lt)是否在以直线导轨(1)零点M和终止点N为端点的直线段MN上；若点A不在线段MN上，则回到步骤2，重新选取区间[a,b]的左端点a；若点A在线段MN上，根据两点间距离公式，计算得滑台(2)移动起始点A到直线导轨(1)零点M的距离D1：
步骤5：通过区间[a,b]获得该区间内轨迹点的个数n，从滑台(2)移动起始点A处沿滑台(2)移动方向叠加n-1个滑台(2)移动的步长△d，获得n-2个滑台(2)移动中间点到直线导轨(1)零点M的距离D2，D3，……Dn-1，以及滑台(2)移动终止点B到直线导轨(1)零点M的距离Dn；
区间[a,b]内轨迹点使滑台坐标系{OA XA YA ZA}原点依次与滑台(2)移动起始点A、n-2个滑台(2)移动中间点、滑台(2)移动终止点B重合，即得到滑台(2)与区间[a,b]内加工轨迹点对应的各移动位置到直线导轨(1)零点M的距离D；
步骤6：根据直线导轨(1)行程L，判断滑台(2)移动终止点B到直线导轨(1)零点M的距离Dn是否超出直线导轨(1)行程L，若Dn>L，则回到步骤5，减小步长△d，直至Dn<L或Dn＝L；若Dn<L或Dn＝L，即建立滑台(2)与区间[a,b]内加工轨迹点对应的各移动位置关系；
步骤7：对区间[a,b]以外的加工轨迹点，加工离端点a近的轨迹点时，滑台(2)在移动起始点A处；加工离端点b近的轨迹点时，滑台(2)在移动终止点B处，至此，得到滑台(2)与所有加工轨迹点对应的各移动位置到直线导轨(1)零点M的距离D值，即完成建立龙门式吊装机器人工作单元中附加轴运动规划模型。
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