CN109648229A - 基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，包括机器人本体、直线轴Z向和直线轴Y向，机器人本体与直线轴Z向滑动连接，直线轴Z向与直线轴Y向滑动连接，直线轴Z向和直线轴Y向共同组成外部工位对机器人工作位置的拓展范围，方法包括：机器人本体与所述直线型Z向和直线型Y向建立外部直线轴协同功能；将外部直线轴协同功能与焊接摆焊功能结合。本发明增加直线轴协同功能，不仅机器人运行范围扩大，还可以让本体六个关节能与外部直线轴协同运动，在直线轴运动的过程中，进行插补动作，保证末端法兰或工具控制点走出线性轨迹、末端法兰或工具控制点相对于空间点位的静止动作状态。

Description

基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法

技术领域

本发明涉及六自由度机器人技术领域，具体的说，是一种基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法。

背景技术

现有工业机器人基本都为六自由度关节型机器人，六个自由度已经能表达机器人末端法兰在空间中的理论位置和姿态，但普通机器人都有运行范围限制，若要进行大范围的作业，只能在机器人六个关节轴之外，增加外部直线轴，以扩大机器人的作业范围。单纯的增加外部直线轴，只能起到扩大机器人范围的作用，只能解决部分应用需求，不能应用于需要本体与外部直线轴协同作业的高端应用，引入外部直线轴的高端应用一般情况会要求协同动作，在扩大范围的同时，要保证运行线性轨迹，没有直线轴协同功能，就不能顺利实施相关应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，用于解决现有技术中六自由度机器人单纯的增加外部直线轴，只能起到扩大机器人范围的作用，不能应用于需要本体与外部直线轴协同作业的高端应用的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，包括机器人本体和直线轴，所述直线轴包括直线轴Z向和直线轴Y向，所述机器人本体与所述直线轴Z向滑动连接并能够沿直线轴Z向的轴向方向移动，直线轴Z向与所述直线轴Y向滑动连接并能够沿直线轴Y向的轴向方向移动，所述直线轴Z向和直线轴Y向共同组成外部工位对机器人工作位置的拓展范围，所述方法包括：

步骤A：机器人本体与所述直线型Z向和直线型Y向建立外部直线轴协同功能；

步骤B：将外部直线轴协同功能与焊接摆焊功能结合。

进一步地，所述步骤A具体包括：

步骤A1：将机器人本体安装在直线轴Z向上，设置直线轴机械参数：减速比，打开系统内部协同功能；

步骤A2：计算直线轴Z向与直线轴Y向的路径；

步骤A3：将直线轴Z向与直线轴Y向纳入协同轨迹算法，并结合前进插补轨迹算法，建立外部直线轴协同功能。

进一步地，所述步骤B为：将所述协同轨迹算法、前进插补算法和摆焊轨迹算法叠加，在外部直线轴协同功能上增加摆焊功能。

进一步地，所述步骤A2具体包括：

步骤A21：确定双协同坐标系，所述双协同坐标系包括：机器人基坐标系b，工具坐标系t，协同直线轴1坐标系j7，协同直线轴2坐标系j8和目标坐标系o，在机器人协同直线运动前使j7轴和j8轴的关节角度为0，标定协同直线轴2坐标系j8在协同直线轴1坐标系j7坐标系下的位姿以及机器人基坐标系b在协同直线轴2坐标系j8的位姿，分别记为和

步骤A22：示教编程时，工具坐标系t和目标点坐标系o重合，记此时j7轴移动后的协同直线轴1新坐标系为j7'轴，j8轴移动后的协同直线轴2新坐标系为j8'，j7轴和j8轴的移动为d7'和d8'，则目标坐标系o在协同直线轴1坐标系j7下的位姿计算公式为：

其中， 为单位矩阵。

进一步地，所述步骤A3具体包括：

步骤A31：在机器人本体的协同运动轨迹o1点到o2点之间的任意点，分别对o1点和o2点进行示教，得到了o1坐标系在机器人基坐标系b下的位姿、j7轴的移动位移d7'和j8轴的移动位移d8'，按照公式(1)可计算得到o1坐标系在协同直线轴1坐标系j7下的位姿同样示教o2点，得到o2坐标系在机器人基坐标系b下的位姿、j7轴的移动位移d7”、j8轴的移动位移d8”和o2坐标系在协同直线轴1坐标系j7下的位姿

步骤A32：根据直线插补方法得到o点在协同直线轴1坐标系j7下的位置，根据等效轴旋转插补方法可得到o点在协同直线轴1坐标系j7的姿态，因此可得到坐标系o在j7坐标系下的位姿根据d7'、d8'、d7”、d8”采用直线插补方法可得运动到o点时j7轴和j8的位移d7”'和d8”'；

步骤A33：按照如下公式计算工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位姿

其中，为的逆矩阵，为的逆矩阵，为的逆矩阵，为单位矩阵；

步骤A34：得到后，根据得到法兰盘坐标系f在机器人基坐标系b下的位姿，为的逆矩阵，通过标定得到，根据和机器人的DH参数，可以反解得到机器人的关节角度j1-j6的值。

进一步地，所述步骤B为：移动直线轴Z向与直线轴Y向，机器人本体进行插补动作，用于保证机器人本体末端法兰或带工具控制点相对于空间点位的静止动作状态。

进一步地，所述步骤B具体包括：

步骤B1：示教轨迹的起点o1和终点o2，p为o1和o2之间的任意一点，已知o1和o2在协同直线轴1坐标系j7下的位姿，根据依据直线插补方法，可插补出轨迹坐标系p的在协同直线轴1坐标系j7的位置，轨迹坐标系p的姿态确定方法为：以直线为轨迹坐标系p的x轴，用工具坐标系t的z轴和轨迹坐标系p的x轴叉乘得到轨迹坐标系p的y轴，然后再按照空间向量的右手法则得到轨迹坐标系p的z轴，因此可得到轨迹坐标系p在协同直线轴1坐标系j7下的位姿

步骤B2：根据o点到p点的距离以及机器人末端工具的速度，可计算得到从o点运动到p点的时间t，根据摆弧的频率F及幅值A按照d＝Asin(F*t)，可算出目标点坐标系o在轨迹坐标系p下的位置[0,d,0]，再通过坐标变换将目标点坐标系o的位置变换至协同直线轴1坐标系j7，根据坐标系o1和坐标系o2在协同直线轴1坐标系j7下的姿态，由等效轴旋转方法插补得到坐标系o在协同直线轴1坐标系j7下的姿态，从而得到

步骤B3：根据步骤A31中得到的d7'、d8'、d7”、d8”采用直线插补方法可得运动到o点时j7轴和j8的位移d7”'和d8”'；

步骤B4：重复步骤A33计算工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位姿

步骤B5：得到后，根据得到法兰盘坐标系f在机器人基坐标系b下的位姿，为的逆矩阵，通过标定得到，根据和机器人的DH参数，可以反解得到机器人的关节角度j1-j6的值。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明增加直线轴协同功能，不仅机器人运行范围扩大，还可以让本体六个关节能与外部直线轴协同运动，在直线轴运动的过程中，进行插补动作，保证末端法兰或工具控制点走出线性轨迹、末端法兰或工具控制点相对于空间点位的静止动作状态。

(2)本发明直线协同功能结合焊接摆动功能，满足机器人自动焊接领域的特殊专业需求，特别是焊缝长度大于机器人运行范围的厚板大件宽焊缝、大填充量等焊接中的摆焊需求。填补机器人自动焊接领域的技术空白，完善机器人自动焊接工艺，使机器人自动焊接可推广到更多领域，完成更多应用。

附图说明

图1为本发明的机器人本体+双直线协同功能轴的结构示意图；

图2为本发明中实施例2的协同坐标系的示意图；

图3为本发明中实施例3的协同坐标系的示意图；

其中，1-机器人本体；2-直线轴Z向；3-直线轴Y向。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

等效轴旋转方法：

实施例1：

结合附图1所示，一种基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，包括机器人本体和直线轴，所述直线轴包括直线轴Z向和直线轴Y向，所述机器人本体与所述直线轴Z向滑动连接并能够沿直线轴Z向的轴向方向移动，直线轴Z向与所述直线轴Y向滑动连接并能够沿直线轴Y向的轴向方向移动，所述直线轴Z向和直线轴Y向共同组成外部工位对机器人工作位置的拓展范围，所述方法包括：

步骤A：机器人本体与所述直线型Z向和直线型Y向建立外部直线轴协同功能，具体包括：

步骤A1：将机器人本体安装在直线轴Z向上，设置直线轴机械参数：减速比，打开系统内部协同功能；

步骤A2：通过控制器内部算法计算直线轴Z向与直线轴Y向的路径；

步骤A3：将直线轴Z向与直线轴Y向纳入协同轨迹算法，并结合前进插补轨迹算法，建立外部直线轴协同功能；

步骤B：将所述协同轨迹算法、前进插补算法和摆焊轨迹算法叠加，在外部直线轴协同功能上增加摆焊功能：移动直线轴Z向与直线轴Y向，机器人本体进行插补动作，用于保证机器人本体末端法兰或带工具控制点相对于空间点位的静止动作状态。

实施例2：

在实施例1的基础上，结合附图2所示，所述步骤A2具体包括：

步骤A21：确定双协同坐标系，所述双协同坐标系包括：机器人基坐标系b，工具坐标系t，协同直线轴1坐标系j7，协同直线轴2坐标系j8和目标坐标系o，在机器人协同直线运动前使j7轴和j8轴的关节角度为0，标定协同直线轴2坐标系j8在协同直线轴1坐标系j7坐标系下的位姿以及机器人基坐标系b在协同直线轴2坐标系j8的位姿，分别记为和

步骤A22：示教编程时，工具坐标系t和目标点坐标系o重合，记此时j7轴移动后的协同直线轴1新坐标系为j7'轴，j8轴移动后的协同直线轴2新坐标系为j8'，j7轴和j8轴的移动为d7'和d8'，则目标坐标系o在协同直线轴1坐标系j7下的位姿计算公式为：

其中， 为单位矩阵。

所述步骤A3具体包括：

步骤A31：在机器人本体的协同运动轨迹o1点到o2点之间的任意点，分别对o1点和o2点进行示教，得到了o1坐标系在机器人基坐标系b下的位姿、j7轴的移动位移d7'和j8轴的移动位移d8'，按照公式(1)可计算得到o1坐标系在协同直线轴1坐标系j7下的位姿同样示教o2点，得到o2坐标系在机器人基坐标系b下的位姿、j7轴的移动位移d7”、j8轴的移动位移d8”和o2坐标系在协同直线轴1坐标系j7下的位姿

步骤A32：根据直线插补方法得到o点在协同直线轴1坐标系j7下的位置，根据等效轴旋转插补方法可得到o点在协同直线轴1坐标系j7的姿态，因此可得到坐标系o在j7坐标系下的位姿根据d7'、d8'、d7”、d8”采用直线插补方法可得运动到o点时j7轴和j8的位移d7”'和d8”'；

步骤A33：按照如下公式计算工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位姿

其中，为的逆矩阵，为的逆矩阵，为的逆矩阵，为单位矩阵；

步骤A34：得到后，根据得到法兰盘坐标系f在机器人基坐标系b下的位姿，为的逆矩阵，通过标定得到，根据和机器人的DH参数，可以反解得到机器人的关节角度j1-j6的值。值得说明的是，由机器人的DH参数反解机器人的关节角度j1-j6的值采用现有技术(见机器人学导论(John JCraig，第三版，第三章和第四章)，等效轴旋转插补方法和直线插补方法均采用现有技术(见机器人学导论(John J Craig，第三版)，第2.8节、第7.4节和第7.6节)，在此不再详述。

实施例3：

在实施例2的基础上，结合附图3所示，所述步骤B具体包括：

步骤B1：示教轨迹的起点o1和终点o2，p为o1和o2之间的任意一点，已知o1和o2在协同直线轴1坐标系j7下的位姿，根据依据直线插补方法，可插补出轨迹坐标系p的在协同直线轴1坐标系j7的位置，轨迹坐标系p的姿态确定方法为：以直线为轨迹坐标系p的x轴，用工具坐标系t的z轴和轨迹坐标系p的x轴叉乘得到轨迹坐标系p的y轴，然后再按照空间向量的右手法则得到轨迹坐标系p的z轴，因此可得到轨迹坐标系p在协同直线轴1坐标系j7下的位姿

步骤B2：根据o点到p点的距离以及机器人末端工具的速度，可计算得到从o点运动到p点的时间t，根据摆弧的频率F及幅值A按照d＝Asin(F*t)，可算出目标点坐标系o在轨迹坐标系p下的位置[0,d,0]，再通过坐标变换将目标点坐标系o的位置变换至协同直线轴1坐标系j7，根据坐标系o1和坐标系o2在协同直线轴1坐标系j7下的姿态，由等效轴旋转方法插补得到坐标系o在协同直线轴1坐标系j7下的姿态，从而得到

步骤B3：根据步骤A31中得到的d7'、d8'、d7”、d8”采用直线插补方法可得运动到o点时j7轴和j8的位移d7”'和d8”'；

步骤B4：重复步骤A33计算工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位姿

步骤B5：得到后，根据得到法兰盘坐标系f在机器人基坐标系b下的位姿，为的逆矩阵，通过标定得到，根据和机器人的DH参数，可以反解得到机器人的关节角度j1-j6的值。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，包括机器人本体和直线轴，所述直线轴包括直线轴Z向和直线轴Y向，所述机器人本体与所述直线轴Z向滑动连接并能够沿直线轴Z向的轴向方向移动，直线轴Z向与所述直线轴Y向滑动连接并能够沿直线轴Y向的轴向方向移动，所述直线轴Z向和直线轴Y向共同组成外部工位对机器人工作位置的拓展范围，所述方法包括：

步骤A：机器人本体与所述直线型Z向和直线型Y向建立外部直线轴协同功能；

步骤B：将外部直线轴协同功能与焊接摆焊功能结合。

2.根据权利要求1所述的基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

步骤A1：将机器人本体安装在直线轴Z向上，设置直线轴机械参数：减速比，打开系统内部协同功能；

步骤A2：计算直线轴Z向与直线轴Y向的路径；

步骤A3：将直线轴Z向与直线轴Y向纳入协同轨迹算法，并结合前进插补轨迹算法，建立外部直线轴协同功能。

3.根据权利要求2所述的基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，所述步骤B为：将所述协同轨迹算法、前进插补算法和摆焊轨迹算法叠加，在外部直线轴协同功能上增加摆焊功能。

4.根据权利要求2或3所述的基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，所述步骤A2具体包括：

步骤A21：确定双协同坐标系，所述双协同坐标系包括：机器人基坐标系b，工具坐标系t，协同直线轴1坐标系j7，协同直线轴2坐标系j8和目标坐标系o，在机器人协同直线运动前使j7轴和j8轴的关节角度为0，标定协同直线轴2坐标系j8在协同直线轴1坐标系j7坐标系下的位姿以及机器人基坐标系b在协同直线轴2坐标系j8的位姿，分别记为和

步骤A22：示教编程时，工具坐标系t和目标点坐标系o重合，记此时j7轴移动后的协同直线轴1新坐标系为j7'轴，j8轴移动后的协同直线轴2新坐标系为j8'，j7轴和j8轴的移动为d7'和d8'，则目标坐标系o在协同直线轴1坐标系j7下的位姿计算公式为：

其中， 为单位矩阵。

5.根据权利要求4所述的基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，所述步骤A3具体包括：

步骤A31：在机器人本体的协同运动轨迹o1点到o2点之间的任意点，分别对o1点和o2点进行示教，得到了o1坐标系在机器人基坐标系b下的位姿、j7轴的移动位移d7'和j8轴的移动位移d8'，按照公式(1)可计算得到o1坐标系在协同直线轴1坐标系j7下的位姿同样示教o2点，得到o2坐标系在机器人基坐标系b下的位姿、j7轴的移动位移d7”、j8轴的移动位移d8”和o2坐标系在协同直线轴1坐标系j7下的位姿

步骤A32：根据直线插补方法得到o点在协同直线轴1坐标系j7下的位置，根据等效轴旋转插补方法可得到o点在协同直线轴1坐标系j7的姿态，因此可得到坐标系o在j7坐标系下的位姿根据d7'、d8'、d7”、d8”采用直线插补方法可得运动到o点时j7轴和j8的位移d7”'和d8”'；

步骤A33：按照如下公式计算工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位姿

其中，为的逆矩阵，为的逆矩阵，为的逆矩阵，为单位矩阵；

步骤A34：得到后，根据得到法兰盘坐标系f在机器人基坐标系b下的位姿，为的逆矩阵，通过标定得到，根据和机器人的DH参数，可以反解得到机器人的关节角度j1-j6的值。

6.根据权利要求5所述的基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，所述步骤B为：移动直线轴Z向与直线轴Y向，机器人本体进行插补动作，用于保证机器人本体末端法兰或带工具控制点相对于空间点位的静止动作状态。

7.根据权利要求6所述的基于六自由度机器人扩展双直线协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

步骤B1：示教轨迹的起点o1和终点o2，p为o1和o2之间的任意一点，已知o1和o2在协同直线轴1坐标系j7下的位姿，根据依据直线插补方法，可插补出轨迹坐标系p的在协同直线轴1坐标系j7的位置，轨迹坐标系p的姿态确定方法为：以直线为轨迹坐标系p的x轴，用工具坐标系t的z轴和轨迹坐标系p的x轴叉乘得到轨迹坐标系p的y轴，然后再按照空间向量的右手法则得到轨迹坐标系p的z轴，因此可得到轨迹坐标系p在协同直线轴1坐标系j7下的位姿

步骤B2：根据o点到p点的距离以及机器人末端工具的速度，可计算得到从o点运动到p点的时间t，根据摆弧的频率F及幅值A按照d＝Asin(F*t)，可算出目标点坐标系o在轨迹坐标系p下的位置[0,d,0]，再通过坐标变换将目标点坐标系o的位置变换至协同直线轴1坐标系j7，根据坐标系o1和坐标系o2在协同直线轴1坐标系j7下的姿态，由等效轴旋转方法插补得到坐标系o在协同直线轴1坐标系j7下的姿态，从而得到

步骤B3：根据步骤A31中得到的d7'、d8'、d7”、d8”采用直线插补方法可得运动到o点时j7轴和j8的位移d7”'和d8”'；

步骤B4：重复步骤A33计算工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位姿

步骤B5：得到后，根据得到法兰盘坐标系f在机器人基坐标系b下的位姿，为的逆矩阵，通过标定得到，根据和机器人的DH参数，可以反解得到机器人的关节角度j1-j6的值。