CN107016209A - 一种工业机器人和导轨协同规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种工业机器人和导轨协同规划方法，包括：建立多个坐标系，包括导轨基坐标系tb、世界坐标系w、工件坐标系obj、机器人基坐标系b和工具坐标系t；路径规划：确定机器人工具坐标系t在工件坐标系obj下的路径；速度规划：根据用户的设置、工艺的需求和机器人性能约束，确定工具坐标系t沿路径的速度值Vt；速度映射：根据工具坐标系速度Vt求得机器人各个轴和导轨的速度；根据速度映射获得工业机器人各个轴和导轨的速度后，根据获取工业机器人各个轴和导轨的下一周期的位置值；计算工具坐标系t的期望位置Pos_real和计算位置Pos_cal的差值。本发明具有高性能、高扩展性、低成本的优点。

Description

一种工业机器人和导轨协同规划方法
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种工业机器人和导轨协同规划方法。
背景技术
工业机器人通常工作范围有限，难以满足长距离物料搬运、多机床上下料、大件物品的装配喷涂等应用场景的需求。为了扩大其工作范围，一种方式是增加工业机器人本身的结构尺寸，但这种方式需要更大的伺服、减速器和本体，导致成本的迅速攀升，此外大尺寸工业机器人精度有所欠缺，灵活度也不够高，难以满足精密应用的要求；另一种方式是把工业机器人放置在导轨上，通过附加的导轨平移扩大机器人的工作范围，这种方式成本相对较低、精度较高，尤其适合长距离物料搬运、多机床上下料等用途，也是目前实际应用较多的方案。
现有的工业机器人配合导轨使用时，工业机器人和导轨大多分开单独控制，也就是工业机器人由机器人控制器控制，导轨由PLC或类似的运动控制器控制，工业机器人控制器和导轨控制器通过数字IO信号的方式建立通讯，这种方案的优点是实现简单，对工业机器人控制器没有特别的要求；缺点是成本高，需要配置导轨的运动控制器，另外工业机器人和导轨不是协同运动，工作节拍低，一些复杂的空间轨迹也无法实现。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种工业机器人和导轨协同规划方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种工业机器人和导轨协同规划方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立多个坐标系，包括导轨基坐标系tb、世界坐标系w、工件坐标系obj、机器人基坐标系b和工具坐标系t。
具体地，导轨基坐标系tb、世界坐标系w、工件坐标系obj、机器人基坐标系b和工具坐标系t之间关系如下：
其中，Tt obj为工具坐标系与工件坐标系的转换矩阵；为工件坐标系与世界坐标系得转换矩阵；为导轨基坐标系与世界坐标系的转换矩阵，在导轨安装完成后为一个常值矩阵；为导轨基坐标系与机器人基坐标系的转换矩阵，由导轨位移P决定；Tt b为机器人基座和工具坐标系的转换矩阵，由机器人DH参数、各轴角度以及工具参数决定。
步骤S2，路径规划：确定机器人工具坐标系t在工件坐标系obj下的路径。
路径的类型包括直线、圆弧、样条等形式，通过示教的方式确定路径的起始点、中间关键点的位置信息，再采用插值的方式可以获取路径上任一点对应的Tt obj。
步骤S3，速度规划：根据用户的设置、工艺的需求和机器人性能约束，确定工具坐标系t沿路径的速度值Vt。
步骤S4，速度映射：根据工具坐标系速度Vt求得机器人各个轴和导轨的速度。
其中，工具坐标系沿路径的速度其中，J为工业机器人和导轨构成的运动链的雅克比矩阵，由机器人各轴角度和导轨的位置求得；为机器人各个轴和导轨的速度构成的向量，根据可以得到机器人各个轴和导轨的速度，J-1为雅克比矩阵的广义逆。
步骤S5，根据步骤S4中的速度映射获得工业机器人各个轴和导轨的速度后，根据获取工业机器人各个轴和导轨的下一周期的位置值。
具体地，根据获取工业机器人各个轴和导轨的下一周期的位置值，其中Δt为工业机器人控制器的控制周期。
步骤S6，计算工具坐标系t的期望位置Pos_real和计算位置Pos_cal的差值ΔPos＝Pos_real-Pos_cal，并将其作为补偿值添加到下一个周期Vt中，Vt_new＝Vt+K×ΔPos,其中K为补偿增益。其中，Pos_real来自期望路径的插值，Pos_cal根据工业机器人和导轨构成的运动链的运动学正解求得。
根据本发明实施例的工业机器人和导轨协同规划方法，不同于现有方案的工业机器人和导轨分开单独控制，本发明中工业机器人和导轨均由机器人控制器控制，工业机器人控制器与机器人和导轨的伺服驱动器通过EtherCAT总线建立连接，具有高性能、高扩展性、低成本的优点。机器人控制器同时给机器人各个轴和导轨的伺服驱动器发送位置指令，这种方案取消了单独的导轨控制器，可以降低硬件成本。
本发明实施例的工业机器人和导轨协同规划方法，具有以下有益效果：
1、取消了导轨控制器，充分利用机器人控制器的计算资源，降低硬件成本；
2、工业机器人和导轨协同规划，共同运动，可以构成复杂的空间路径；
3、工业机器人和导轨可以同步运动，缩短完成一段路径或任务的周期，提高任务节拍，提升工作效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的工业机器人和导轨协同规划方法的流程图；
图2为根据本发明另一个实施例的工业机器人和导轨协同规划方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的工业机器人和导轨各坐标系示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，本发明实施例的工业机器人和导轨协同规划方法，包括如下步骤：
步骤S1，建立多个坐标系，通过这些坐标系可以建立运动学关系。坐标系如图3所示。其中，多个坐标系包括导轨基坐标系tb、世界坐标系w、工件坐标系obj、机器人基坐标系b、工具坐标系t、P为导轨位移。
具体地，通过转换矩阵可以建立各个坐标系之间的关系，导轨基坐标系tb、世界坐标系w、工件坐标系obj、机器人基坐标系b和工具坐标系t之间关系如下：
其中，Tt obj为工具坐标系与工件坐标系的转换矩阵；为工件坐标系与世界坐标系得转换矩阵；为导轨基坐标系与世界坐标系的转换矩阵，在导轨安装完成后为一个常值矩阵；为导轨基坐标系与机器人基坐标系的转换矩阵，由导轨位移P决定；Tt b为机器人基座和工具坐标系的转换矩阵，由机器人DH参数、各轴角度以及工具参数决定。
步骤S2，路径规划：确定机器人工具坐标系t在工件坐标系obj下的路径。其中，路径的类型包括直线、圆弧、样条等形式，通过示教的方式确定路径的起始点、中间关键点的位置信息，再采用插值的方式可以获取路径上任一点对应的Tt obj。
步骤S3，速度规划：根据用户的设置、工艺的需求和机器人性能约束，确定工具坐标系t沿路径的速度值Vt。其中，Vt＝min{V设置，V工艺，V约束}。
步骤S4，速度映射：根据工具坐标系速度Vt求得机器人各个轴和导轨的速度。其中，工具坐标系沿路径的速度其中，J为工业机器人和导轨构成的运动链的雅克比矩阵，由机器人各轴角度和导轨的位置求得；为机器人各个轴和导轨的速度构成的向量，根据可以得到机器人各个轴和导轨的速度，J-1为雅克比矩阵的广义逆。
步骤S5，根据步骤S4中的速度映射获得工业机器人各个轴和导轨的速度后，根据获取工业机器人各个轴和导轨的下一周期的位置值。
具体地，根据获取工业机器人各个轴和导轨的下一周期的位置值，其中Δt为工业机器人控制器的控制周期。
步骤S6，采用数值积分方式容易造成数值误差和累计误差，这在工业机器人这种高精度设备中是不允许的。为了消除误差，计算工具坐标系t的期望位置Pos_real和计算位置Pos_cal的差值ΔPos＝Pos_real-Pos_cal，并将其作为补偿值添加到下一个周期Vt中，Vt_new＝Vt+K×ΔPos,其中K为补偿增益。通过迭代修正的方式提高路径跟踪精度。其中，Pos_real来自期望路径的插值，Pos_cal根据工业机器人和导轨构成的运动链的运动学正解求得。
通过上述各个步骤，即可构成工业机器人和导轨的协同规划方法。
根据本发明实施例的工业机器人和导轨协同规划方法，不同于现有方案的工业机器人和导轨分开单独控制，本发明中工业机器人和导轨均由机器人控制器控制，工业机器人控制器与机器人和导轨的伺服驱动器通过EtherCAT总线建立连接，具有高性能、高扩展性、低成本的优点。机器人控制器同时给机器人各个轴和导轨的伺服驱动器发送位置指令，这种方案取消了单独的导轨控制器，可以降低硬件成本。
本发明实施例的工业机器人和导轨协同规划方法，具有以下有益效果：
1、取消了导轨控制器，充分利用机器人控制器的计算资源，降低硬件成本；
2、工业机器人和导轨协同规划，共同运动，可以构成复杂的空间路径；
3、工业机器人和导轨可以同步运动，缩短完成一段路径或任务的周期，提高任务节拍，提升工作效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (6)

1.一种工业机器人和导轨协同规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，建立多个坐标系，包括导轨基坐标系tb、世界坐标系w、工件坐标系obj、机器人基坐标系b和工具坐标系t；
步骤S2，路径规划：确定机器人工具坐标系t在工件坐标系obj下的路径；
步骤S3，速度规划：根据用户的设置、工艺的需求和机器人性能约束，确定工具坐标系t沿路径的速度值Vt；
步骤S4，速度映射：根据工具坐标系速度Vt求得机器人各个轴和导轨的速度；
步骤S5，根据步骤S4中的速度映射获得工业机器人各个轴和导轨的速度后，根据获取工业机器人各个轴和导轨的下一周期的位置值；
步骤S6，计算工具坐标系t的期望位置Pos_real和计算位置Pos_cal的差值ΔPos＝Pos_real-Pos_cal，并将其作为补偿值添加到下一个周期Vt中，Vt_new＝Vt+K×ΔPos,其中K为补偿增益。
2.如权利要求1所述的工业机器人和导轨协同规划方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述导轨基坐标系tb、世界坐标系w、工件坐标系obj、机器人基坐标系b和工具坐标系t之间关系如下：
其中，Tt obj为工具坐标系与工件坐标系的转换矩阵；为工件坐标系与世界坐标系得转换矩阵；为导轨基坐标系与世界坐标系的转换矩阵，在导轨安装完成后为一个常值矩阵；为导轨基坐标系与机器人基坐标系的转换矩阵，由导轨位移P决定；Tt b为机器人基座和工具坐标系的转换矩阵，由机器人DH参数、各轴角度以及工具参数决定。
3.如权利要求1所述的工业机器人和导轨协同规划方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述路径的类型包括直线、圆弧、样条形式，通过示教的方式确定路径的起始点、中间关键点的位置信息，再采用插值的方式可以获取路径上任一点对应的Tt obj。
4.如权利要求1所述的工业机器人和导轨协同规划方法，其特征在于，在所述步骤S4中，工具坐标系沿路径的速度其中，J为工业机器人和导轨构成的运动链的雅克比矩阵，由机器人各轴角度和导轨的位置求得；为机器人各个轴和导轨的速度构成的向量，根据可以得到机器人各个轴和导轨的速度，J-1为雅克比矩阵的广义逆。
5.如权利要求1所述的工业机器人和导轨协同规划方法，其特征在于，在所述步骤S5中，根据获取工业机器人各个轴和导轨的下一周期的位置值，其中Δt为工业机器人控制器的控制周期。
6.如权利要求1所述的工业机器人和导轨协同规划方法，其特征在于，在所述步骤S6中，Pos_real来自期望路径的插值，Pos_cal根据工业机器人和导轨构成的运动链的运动学正解求得。
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