CN106338966B - 一种工业机器人轨迹规划编程方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的工业机器人轨迹规划编程方法，包括以下步骤：通过工业机器人的结构图纸，得到其D‑H参数信息；采用关节空间的三次均匀B样条曲线差值的方法，对工业机器人各关节进行轨迹规划推导工作；设计工业机器人轨迹规划的通用元件；根据推导的三次均匀B样条曲线公式，采用通用元件和有向连线进行工业机器人轨迹规划图形化编程；采用图形化编程方式，构建工业机器人的仿真模型，完成控制策略的仿真工作；将通过仿真验证的正确的控制策略下载到实际的控制器中，控制实际工业机器人完成工作任务。本发明解决了现有工业机器人轨迹规划编程中现有机器人专用语言灵活性低，文本编程语言编程方式复杂，门槛高，编程周期长的问题。

Description

一种工业机器人轨迹规划编程方法
技术领域
本发明涉及一种工业机器人轨迹规划编程方法。
背景技术
工业机器人是由机械技术、电子技术和计算机技术有机结合在一起形成的一种机电一体化产品，已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统的自动化工具。为保证工业机器人系统在实际工作中，运动能尽量保持平滑、平稳，避免速度、加速度的突变，使其具有高的工作精度和运动平稳度，防止机器人系统发生振动和冲击，就需要对其进行轨迹规划，因此，对机器人的轨迹规划及其实现方法进行研究具有重大意义。
目前，针对工业机器人轨迹规划的编程，国内外主要采用以下两种方法：（1）在线示教编程；（2）离线编程。其中在线示教编程编程方式简单，但是轨迹规划精度低，并且无法完成复杂轨迹的规划工作。离线编程方式多采用机器人专用语言和c/c++语言进行编程，其中机器人专用语言编程方法简单，仅需采用封装好的机器人函数或者图形化元件，就能完成机器人轨迹规划工作，但是封装元件的方式大大降低了轨迹规划的灵活性，就目前而言，市场上工业机器人专用语言的封装元件仅包含直线和圆弧插补两种轨迹规划方式，因此对于复杂轨迹，采用机器人专用语言也是无法完成的；而c/c++的编程方式需要用户掌握专业的编程语言，编程过程复杂，编程周期长。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业机器人轨迹规划编程方法，用于解决现有工业机器人轨迹规划编程中现有机器人专用语言灵活性低，文本编程语言编程方式复杂，门槛高，编程周期长的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过工业机器人的结构图纸，得到其D-H参数信息；
步骤S2：采用关节空间的三次均匀B样条曲线差值的方法，对工业机器人各关节进行轨迹规划推导工作；
步骤S3：设计工业机器人轨迹规划的通用元件；
步骤S4：根据推导的三次均匀B样条曲线公式，采用图形化的通用元件和有向连线的方式进行工业机器人轨迹规划图形化编程；
步骤S5：采用图形化编程的方式，构建工业机器人的仿真模型，完成控制策略的仿真工作，以验证控制策略的正确性；
步骤S6：将通过仿真验证的正确的控制策略下载到实际的控制器中，控制实际工业机器人完成工作任务。
进一步的，所述步骤S1中，D-H参数信息是根据D-H模型，得到机器人连杆和关节的参数信息，包括连杆偏置d,连杆长度a，连杆扭角α，关节变量θ。
进一步的，所述步骤S2中，设定多个用户所期望的机器人末端位姿为关键点，经过机器人逆解算法，求出各个关节的位置-时间序列｛pi,ti｝，i=0,1,…,n，其中pi表示关节的第i个关键点角度值，ti表示关节运动到pi所设定的时间值。
进一步的，所述步骤S3中，所述通用元件由固有属性、动态参数和算法函数三个部分构成；其中固有属性是每个通用元件所特有的，包括元件算法调用、元件类型、元件输入、元件输出；从外部结构特征上看，通用元件由多输入，单输出和与其相关的动态参数组成；每个通用元件的固有属性和动态参数都是以一种标准的数据结构映射在某一数据内存区；相对应地，每个通用元件的算法函数则存放在另一代码内存区，并通过通用元件内部指针进行算法的调用，并将运算结果返回数据内存区。
进一步的，所述步骤S4中，所述有向连线用于表示整个控制策略中各个通用元件之间的输入输出关系，控制策略的编程是利用有向连线对多个通用元件进行首尾连接来实现的；在编程的过程中，同类元件都会自动生成唯一的下标号，下标号的生成实质上是该元件内存空间分配的过程，即元件的属性参数映射在与其对应的内存空间中，当执行到某个元件时，可通过调用内存中对应的算法函数进行计算，返回计算结果并对该元件的动态参数进行更新。
进一步的，所述步骤S5的具体步骤为：
步骤S51：采用设计好的工业机器人正解元件，设定元件参数为之前得到的D-H参数，将控制策略中六个关节的角度输出值连接到正解元件输入；所述正解元件是一种可根据机器人各个关节的角度值求解出机器人末端空间位姿的通用元件；
步骤S52：在仿真环境中，计算得到实时工业机器人末端位姿曲线，根据末端位姿与用户设定位置进行对比，判断控制策略的正确性；若末端位姿与用户设定位置的误差小于阈值，则可认定控制策略正确，反之错误，所述阈值为1mm。
发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种针对工业机器人轨迹规划编程的新型图形化组态方法，该方法相较于传统的示教器和机器人语言编程有如下优势：组态方法简单易学，组态过程简洁直观，编程效率高，并且使机器人运行过程的中间数据可视化，采用该种组态方法，还可以完成机器人仿真系统的搭建，并将其控制策略直接应用到实际控制站中，避免了重复编程，大大缩短了工业机器人轨迹规划算法的开发周期。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明一实施例的通用元件示例原理图。
图3是本发明一实施例的图形化编程方法示意图。
图4是本发明一实施例的仿真试验结果之末端位姿示意图；
图5是本发明一实施例的仿真试验结果之关节角度示意图；
图6是本发明一实施例的仿真试验结果之角速度示意图；
图7是本发明一实施例的仿真试验结果之关节位置跟踪误差示意图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过工业机器人的结构图纸，得到其D-H参数信息；D-H参数信息是根据D-H模型，得到机器人连杆和关节的参数信息，包括连杆偏置d,连杆长度a，连杆扭角α，关节变量θ。
步骤S2：采用关节空间的三次均匀B样条曲线差值的方法，对工业机器人各关节进行轨迹规划推导工作；其中设定多个用户所期望的机器人末端位姿为关键点，经过机器人逆解算法，求出各个关节的位置-时间序列｛pi,ti｝，i=0,1,…,n，其中pi表示关节的第i个关键点角度值，ti表示关节运动到pi所设定的时间值。
步骤S3：设计工业机器人轨迹规划的通用元件；为提高元件的复用性，设计一组细粒度的图形化的通用元件，所述通用元件由固有属性、动态参数和算法函数三个部分构成；其中固有属性是每个通用元件所特有的，包括元件算法调用、元件类型、元件输入、元件输出；从外部结构特征上看，通用元件由多输入，单输出和与其相关的动态参数组成；每个通用元件的固有属性和动态参数都是以一种标准的数据结构映射在某一数据内存区；相对应地，每个通用元件的算法函数则存放在另一代码内存区，并通过通用元件内部指针进行算法的调用，并将运算结果返回数据内存区。
因为所设计工业机器人的图形化元件是通过一种标准的、相同的数据形式表示，与机器人的硬件设备无关，因此可以控制不同类型的工业机器人，有很强的通用性，而且由这些元件构成的统一控制策略也能在不同机器人之间进行移植。
请结合图2和图3，以六自由度工业机器人运动学正解元件为例，元件结构原理如图2所示，元件的动态参数包括6个关节角度输入、1个输出和机器人结构等19个设定参数，其中用户可以通过设定参数中的输出模式i（i=1,2,…,6），使元件分别输出机器人末端的空间位置（X,Y,Z）和姿态(Rx,Ry,Rz)值。元件所有属性和参数均以数据的形式映射在数据内存空间，通过在代码内存区对算法进行选择和调用，将运算结果返回至动态参数。
步骤S4：根据推导的三次均匀B样条曲线公式，采用通用元件和有向连线进行工业机器人轨迹规划图形化编程；所述有向连线用于表示整个控制策略中各个通用元件之间的输入输出关系，控制策略的编程是利用有向连线对多个通用元件进行首尾连接来实现的。
具体地，在编程过程中，同类元件都会自动生成唯一的下标号，例如第401号乘法运算器元件可表示为MUL401。下标号的生成实质上是该元件内存空间分配的过程，即元件的属性参数映射在与其对应的内存空间中，当执行到某个元件时，可通过调用内存中对应的算法函数进行计算，返回计算结果并对该元件的动态参数进行更新。
步骤S5：采用图形化编程方式，构建工业机器人的仿真模型，完成控制策略的仿真工作，以验证控制策略的正确性，具体步骤为：
步骤S51：采用设计好的工业机器人正解元件，设定元件参数为之前得到的D-H参数，将控制策略中六个关节的角度输出值连接到正解元件输入；所述正解元件是一种可根据机器人各个关节的角度值求解出机器人末端空间位姿的通用元件。
步骤S52：在仿真环境中，计算得到实时工业机器人末端位姿曲线，根据末端位姿与用户设定位置进行对比，判断控制策略的正确性；若末端位姿与用户设定位置的误差小于阈值，则可认定控制策略正确，反之错误，所述阈值为1mm。
步骤S6：将通过仿真验证的正确的控制策略下载到实际的控制器中，控制实际工业机器人完成工作任务。
图4至图7分别为仿真试验结果的末端位姿示意图、关节角度示意图、角速度示意图、关节位置跟踪误差示意图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过工业机器人的结构图纸，得到其D-H参数信息；
步骤S2：采用关节空间的三次均匀B样条曲线差值的方法，对工业机器人各关节进行轨迹规划推导工作；
步骤S3：设计工业机器人轨迹规划的通用元件；
步骤S4：根据推导的三次均匀B样条曲线公式，采用图形化的通用元件和有向连线的方式进行工业机器人轨迹规划图形化编程；
步骤S5：采用图形化编程的方式，构建工业机器人的仿真模型，完成控制策略的仿真工作，以验证控制策略的正确性；
步骤S6：将通过仿真验证的正确的控制策略下载到实际的控制器中，控制实际工业机器人完成工作任务。
2.根据权利要求1所述的工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于：所述步骤S1中，D-H参数信息是根据D-H模型，得到机器人连杆和关节的参数信息，包括连杆偏置d,连杆长度a，连杆扭角α，关节变量θ。
3.根据权利要求1所述的工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于：所述步骤S2中，设定多个用户所期望的机器人末端位姿为关键点，经过机器人逆解算法，求出各个关节的位置-时间序列｛pi,ti｝，i=0,1,…,n，其中pi表示关节的第i个关键点角度值，ti表示关节运动到pi所设定的时间值。
4.根据权利要求1所述的工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述通用元件由固有属性、动态参数和算法函数三个部分构成；其中固有属性是每个通用元件所特有的，包括元件算法调用、元件类型、元件输入、元件输出；从外部结构特征上看，通用元件由多输入，单输出和与其相关的动态参数组成；每个通用元件的固有属性和动态参数都是以一种标准的数据结构映射在某一数据内存区；相对应地，每个通用元件的算法函数则存放在另一代码内存区，并通过通用元件内部指针进行算法的调用，并将运算结果返回数据内存区。
5.根据权利要求1所述的工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述有向连线用于表示整个控制策略中各个通用元件之间的输入输出关系，控制策略的编程是利用有向连线对多个通用元件进行首尾连接来实现的；在编程的过程中，同类元件都会自动生成唯一的下标号，下标号的生成实质上是该元件内存空间分配的过程，即元件的属性参数映射在与其对应的内存空间中，当执行到某个元件时，可通过调用内存中对应的算法函数进行计算，返回计算结果并对该元件的动态参数进行更新。
6.根据权利要求1所述的工业机器人轨迹规划编程方法，其特征在于：所述步骤S5的具体步骤为：
步骤S51：采用设计好的工业机器人正解元件，设定元件参数为之前得到的D-H参数，将控制策略中六个关节的角度输出值连接到正解元件输入；所述正解元件是一种可根据机器人各个关节的角度值求解出机器人末端空间位姿的通用元件；
步骤S52：在仿真环境中，计算得到实时工业机器人末端位姿曲线，根据末端位姿与用户设定位置进行对比，判断控制策略的正确性；若末端位姿与用户设定位置的误差小于阈值，则可认定控制策略正确，反之错误，所述阈值为1mm。
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