CN109015652A - 一种机器人与变位机协调运动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人与变位机协调运动的控制方法，在协调运动插补控制前，通过机器人手动示教方式建立起机器人基坐标系和变位机工作台坐标系之间的坐标变换关系，并将其保存，在联合轨迹插补时利用坐标变换关系，协调机器人和变位机之间的协调运动问题。采用本发明的控制方法，既能满足机器人通用性的要求,而且也方便了用户的使用。可大大简化重新定位设定坐标变换关系的过程，可以极大的提高生产效率。

Description

一种机器人与变位机协调运动的控制方法

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别涉及一种机器人与变位机协调运动的控制方法。

背景技术

在工业机器人进行焊接或切割等作业下，对于复杂的空间轨迹，需要保证工业机器人在进行轨迹插补的时候同时满足轨迹和姿态的要求。现有技术中较佳的方法是引入变位机系统，将工件放在变位机上，配合工业机器人系统进行协调运动。对于工业机器人和变位机组成的同步工作站，现有技术常用的做法是固定机器人和变位机的安装位置，使机器人在焊接或者切割过程中变位机能够通过旋转协同运动，完成复杂的焊接或者切割作业。但是对于一些复杂的曲线焊缝/切割，以及工业流水线上的曲线焊缝/切割，必须使用不固定变位机位置的同步工作站，使机器人和变位机在焊接或切割过程中协调共同运动，才能完成焊接/切割作业，但现有技术一般的处理是对于机器人和变位机的相对位置变化，重新计算变换矩阵，这样不但计算上相对复杂，并且在位置过渡时的运动难以做到快速同步协调。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种基于机器人运动插补算法控制的机器人与变位机协调运动的控制方法，在协调运动过程前，建立变位机各个轴与机器人基坐标系的变换矩阵以及变位机的运动学正解矩阵，实现变位机可以移动的目的。避免了机器人和变位机的相对位置发生变化，需重新计算变换矩阵；在协调运动过程中，利用各轴的运动增量和速度信息，以匀速离散规划取得最长时间轴为基准时间轴，再以基准时间轴做离散规划得到离散运动时间，将其余的轴以此离散运动时间做同步协调运动。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种机器人与变位机协调运动的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵；

步骤2：将示教点信息转换到变位机工作台坐标系；

步骤3：由上述变位机工作台坐标系下的信息确定工艺过程时间，分别对工艺轨迹坐标点进行离散，获得中间离散工艺轨迹坐标点信息，以及一系列变位机信息；

步骤4：将中间离散工艺轨迹坐标点信息转换到机器人基坐标系，重复步骤3完成机器人和变位机的联合轨迹插补。

优选的，所述步骤1中的建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵，具体为：

步骤11：机器人和变位机工作站安装完毕后，在变位机上设置一个标志点P，使变位机各个轴处于零位，通过示教，让机器人运动到标志点P，记该标志点P相对于机器人基座标系的位置矢量为P1；

步骤12：设定变位机有n个轴，对于变位机的第i(i∈(1…n))个轴，如果是旋转轴，旋转一个角度θ,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该标志点P相对于机器人基座标系的位置矢量为P2；如果是平动轴，平移一个距离L1,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该标志点P相对于机器人基座标系的位置矢量为P2；

步骤13：再驱动变位机的第i(i∈(1…n))个轴旋转一个角度φ或者平移一个距离L2,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该点相对于机器人基座标系的位置矢量为P3；

步骤14：重复步骤11-13使i从1到n，以建立变位机n个轴的坐标系,并确定他们相对于机器人基坐标系的变换关系，以此建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵。

优选的，所述步骤14中的建立变位机n个轴的坐标系,并确定他们相对于机器人基坐标系的变换关系，以此建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵，具体为：

步骤141：通过位置矢量P1、P2、P3建立变位机各轴到机器人基坐标系的变换矩阵；

步骤142：求取变位机各轴变换矩阵之间的变换矩阵；

步骤143：通过变位机各轴到机器人基坐标系的变换矩阵和变位机各轴变换矩阵之间的变换矩阵建立变位机的运动学正解矩阵。

优选的，所述步骤3中的由上述变位机工作台坐标系下的信息确定工艺过程时间，分别对工艺轨迹坐标点进行离散，具体为：

步骤31：根据工艺过程时间和工艺轨迹分别求取变位机工作台坐标系下的示教点位置增量、机器人基坐标系下的姿态增量、变位机工作台坐标系下的变位机增量，以及速度信息；

步骤32：分别根据上述位置增量、姿态增量、变位机增量各轴按照速度信息中的速度以匀速运动求取运动时间，比较时间长短，设定最长时间所在轴为基准运动轴；

步骤33：对基准运动轴进行离散规划得到离散运动时间，按照基准运动轴的离散运动时间离散规划另外各轴，使其同步运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.对于一个固定位置的机器人，安装变位机工作站后只需要校准一次变位机建立运动学正解矩阵，之后装载工件的变位机可以变动位置和旋转姿态，避免多次校准。本发明的方法可以大大减少校准次数，方便用户的使用。

2、利用匀速寻找基准运动轴的方法，对于有位置、姿态、多个变位机轴的工作站来说，可以简化计算，节省时间。

3、利用已确定的基准运动轴做离散规划，确定焊接时间；利用确定的焊接时间对其余轴做离散规划，大大节省和简化了计算。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例建立变位机各轴与机器人基坐标系变换关系的流程图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

发明针对现有技术存在的问题和控制器系统的自身特点，提出一种基于机器人运动插补算法控制的机器人与旋转和平动变位机协调运动的通用方法，对于同时具有平动变位机和旋转变位机，只需要校准一次变位机建立运动学正解矩阵，之后装载工件的变位机可以变动位置和旋转姿态，避免多次校准，可以极大的提高生产效率。在离散过程中先以匀速近似离散得到基准运动轴，再对基准运动轴做离散规划确定焊接时间，以确定的焊接时间对其余轴做离散规划，大大的简化了离散规划时间。

如图1‐2所示，本发明具体实施例的流程如下：

步骤1：建立变位机运动学的正解矩阵；

步骤2：将示教点信息转换到变位机工作台坐标系；

步骤3：由上述变位机工作台坐标系下的信息确定焊接过程时间，分别对焊缝进行离散，获得中间离散焊点的信息，以及一系列变位机信息；

步骤4：将中间焊点信息转换到机器人基坐标系，重复步骤3完成了焊接机器人和变位机的联合轨迹插补.

所述步骤1首先根据笛卡尔空间的齐次变换描述,建立工业机器人与变位机的连杆坐标系及运动学模型，机器人和变位机之间的运动可由如下矩阵方程表示:

其中是焊枪工具坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵，P_end是焊枪末端点在焊枪工具坐标系中的位置矢量；是变位机工作台坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵，P_weld是待焊点在变位机工作台坐标系下的坐标系位置矢量，方程左边描述的是弧焊机器人末端焊枪的空间位置,方程右边描述的是工件待焊点的位置。

设变位机有n个轴,当弧焊机器人工作站安装完毕后,也就是当机器人和变位机的相对位置固定后,首先用样冲在变位机的工作台上标志一个点P，然后按如下的步骤进行在线示教:

1)使变位机各个轴处于零位,通过示教,让机器人运动到标志点P,记该点相对于机器人基座标系的位置矢量为P1。

2)对于变位机的第i(i∈(1…n))个轴，如果是旋转轴，旋转一个角度θ,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该点相对于机器人基座标系的位置矢量为P2；如果是平动轴，平移一个距离l,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该点相对于机器人基座标系的位置矢量为P2。

3)再驱动变位机的第i(i∈(1…n))个轴旋转一个角度φ或者平移一个距离m,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该点相对于机器人基座标系的位置矢量为P3。

重复上述步骤使i从1‐>n，可以建立变位机n个旋转轴的坐标系，并确定他们相对于机器人基坐标系的变换关系。P1、P2、P3的位置矢量都是在机器人基坐标系下表示，也是P通过绕同一轴旋转或者平移得到P1、P2、P3，以第一个轴为例，设定P₁＝x₁,y₁,z₁P₂＝x₂,y₂,z₂,P₃＝x₃,y₃,z₃,具体实施步骤如下：

1)如果是旋转变位，P1、P2、P3不重合且不共线的：

步骤1：确定P1、P2、P3确定的平面M的方程式：

步骤2：确定过P1、P2中点且与P1P2垂直的平面T的方程为：

步骤3：确定过P2、P3中点且与P2P3垂直的平面S的方程为：

步骤4：联立M、T、S方程可以得到圆心P₀＝x₀,y₀,z₀

步骤5：通过平面M的方程式可以得到平面M的法向量的方向数

l＝(y₁-y₃)(z₂-z₃)-(y₂-y₃)(z₁-z₃)

m＝(x₂-x₃)(z₁-z₃)-(x₁-x₃)(z₂-z₃)

n＝(x₁-y₃)(y₂-y₃)-(x₂-x₃)(y₁-y₃)

步骤6：以平面M的法向量作为新坐标系的Z方向，Z轴的方向余弦为

步骤7：以P0P1方向作为新坐标系的X轴方向，X轴的方向余弦为

步骤8：通过新坐标系的Z轴的方向余弦叉乘X轴的方向余弦得到Y轴的方

向余弦

ox＝ay×nz-az×ny oy＝az×nx-ax×nz oz＝ax×ny-ay×nx

步骤9：通过各轴的方向余弦可以得到新坐标系在机器人基坐标系下的变换

矩阵

2)如果是平动变位机，P1.P2.P3是共线的

步骤1：确定直线P1P2的直线方程式

步骤2：机器人基坐标系的原点(0,0,0)到直线P1P2做垂线，求得交点为P₀＝x₀,y₀,z₀

步骤3：确定P0、P1、P2确定的平面M的方程式：

步骤4：通过平面M的方程式可以得到平面M的法向量的方向数

l＝y₁(z₁-z₀)+z₁(y₁-y₀)

m＝z₁(x₁-x₀)+x₁(z₀-z₁)

n＝x₁(y₁-y₀)+y₁(x₀-x₁)

步骤5：以平面M的法向量作为新坐标系的Z方向，Z轴的方向余弦为

步骤6：以P1P2方向作为新坐标系的X轴方向，X轴的方向余弦为

步骤7：通过新坐标系的Z轴的方向余弦叉乘X轴的方向余弦得到Y轴的方向余弦

ox＝ay×nz-az×ny oy＝az×nx-ax×nz oz＝ax×ny-ay×nx

步骤8：通过各轴的方向余弦可以得到新坐标系在机器人基坐标系下的变换矩阵

通过上述方法可以得到变位机第一个轴到基坐标系的变换矩阵；进而可以得到各轴到基坐标系的变换矩阵。

设定是变位机第i轴坐标系到第i‐1轴坐标系的变换矩阵：

从上面建立坐标系的过程可知，如果是旋转变位机，其旋转轴为Z轴；如果是平动变位机，其移动轴是X轴，从而得变位机的运动学正解矩阵如下：

如果是平动变位机，需要将公式中的Rot矩阵换成Tranl矩阵。可以将基于变位机工作台坐标系的坐标转换到机器人基坐标系中。

所述步骤2将示教点信息正解获得空间位置和姿态，将示教焊点的空间位置向量乘以变位机正解矩阵的逆得到示教焊点在变位机工作台坐标系下的位置矢量。

所述步骤3分别求取变位机工作台坐标系下的示教点位置增量、机器人基坐标系下的姿态增量、变位机工作台坐标系下的变位机增量，以及速度信息；分别将位置、姿态、变位机各轴按照匀速运动求运动时间，比较时间长短，设定最长时间所在轴为基准运动轴；对基准运动轴进行离散规划得到离散运动时间，按照基准运动轴的离散运动时间离散规划另外各轴，使其同步运动.

所述步骤3中获得中间离散焊的位置、姿态和变位机信息P_i,z_i,θ_1i,θ_li(i＝1…m)(m为焊接过程插补点总数)；从而得到当前变位机正解矩阵，

所述步骤4将步骤3中得到的位置矢量转换得到机器人基坐标系下的位置矢量，将位置矢量逆解得到机器人关节姿态。

重复执行步骤3、4,使i从1到m，完成了焊接机器人和变位机的联合轨迹插补.

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种机器人与变位机协调运动的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵；

步骤2：将示教点信息转换到变位机工作台坐标系；

步骤3：由上述变位机工作台坐标系下的信息确定工艺过程时间，分别对工艺轨迹坐标点进行离散，获得中间离散工艺轨迹坐标点信息，以及一系列变位机信息；

步骤4：将中间离散工艺轨迹坐标点信息转换到机器人基坐标系，重复步骤3完成机器人和变位机的联合轨迹插补。

2.根据权利要求1所述的机器人与变位机协调运动的控制方法，其特征在于，所述步骤1中的建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵，具体为：

步骤11：机器人和变位机工作站安装完毕后，在变位机上设置一个标志点P，使变位机各个轴处于零位，通过示教，让机器人运动到标志点P，记该标志点P相对于机器人基座标系的位置矢量为P1；

步骤12：设定变位机有n个轴，对于变位机的第i(i∈(1…n))个轴，如果是旋转轴，旋转一个角度θ,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该标志点P相对于机器人基座标系的位置矢量为P2；如果是平动轴，平移一个距离L1,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该标志点P相对于机器人基座标系的位置矢量为P2；

步骤13：再驱动变位机的第i(i∈(1…n))个轴旋转一个角度φ或者平移一个距离L2,其它轴处于零位，通过示教,让机器人运动到标志点P,记该点相对于机器人基座标系的位置矢量为P3；

步骤14：重复步骤11-13使i从1到n，以建立变位机n个轴的坐标系,并确定他们相对于机器人基坐标系的变换关系，以此建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵。

3.根据权利要求2所述的机器人与变位机协调运动的控制方法，其特征在于，所述步骤14中的建立变位机n个轴的坐标系,并确定他们相对于机器人基坐标系的变换关系，以此建立变位机各轴与机器人基坐标系的变换矩阵及变位机运动学的正解矩阵，具体为：

步骤141：通过位置矢量P1、P2、P3建立变位机各轴到机器人基坐标系的变换矩阵；

步骤142：求取变位机各轴变换矩阵之间的变换矩阵；

步骤143：通过变位机各轴到机器人基坐标系的变换矩阵和变位机各轴变换矩阵之间的变换矩阵建立变位机的运动学正解矩阵。

4.根据权利要求1所述的机器人与变位机协调运动的控制方法，其特征在于，所述步骤3中的由上述变位机工作台坐标系下的信息确定工艺过程时间，分别对工艺轨迹坐标点进行离散，具体为：

步骤31：根据工艺过程时间和工艺轨迹分别求取变位机工作台坐标系下的示教点位置增量、机器人基坐标系下的姿态增量、变位机工作台坐标系下的变位机增量，以及速度信息；

步骤32：分别根据上述位置增量、姿态增量、变位机增量各轴按照速度信息中的速度以匀速运动求取运动时间，比较时间长短，设定最长时间所在轴为基准运动轴；

步骤33：对基准运动轴进行离散规划得到离散运动时间，按照基准运动轴的离散运动时间离散规划另外各轴，使其同步运动。