CN109648230B - 基于六自由度机器人扩展双旋转协同功能轴的摆焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于六自由度机器人扩展双旋转协同功能轴的摆焊方法，包括机器人本体、用于扩展外部工位翻转面的回转轴和用于扩展外部工位回转面的翻转轴，所述回转轴和翻转轴共同组成外部工位全方位球形工作位置的拓展，所述方法包括：步骤A：机器人本体与所述回转轴和翻转轴建立外部旋转轴协同功能；步骤B：将外部旋转轴协同功能与焊接摆焊功能结合。本发明主要实现了扩展外部协同功能轴，增加机器人自由度，协同功能可以改善机器人本体限制范围，增加运动范围内任意姿态的可操作性，可最大限度的避开机器人奇异点，更方便的完成复杂轨迹的示教与在线和对动作连续性的硬性要求。
Description
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旋转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，但由于机器人本体结构设计中存在的缺陷，部分特殊姿态无法通过本体六自由度来表达，机器人算法中奇异点真实存在，以及实际工作场合中的一部分复杂运行轨迹与特殊行业动作连续性的要求。越来越多的应用现场需要更大的自由度来实现功能需求。特别是在机器人自动焊接领域，焊接工艺要求高，运动轨迹复杂，焊缝成型连续性要求高。由于机器人带焊枪后大部分机器人本体类型的动作范围将会受到限制，不能完成6轴法兰360°旋转的要求，而焊接作业中，整圆焊接、腰圆焊接、相贯线焊接等场合，都需要6轴法兰范围在360°甚至以上。但凭机器人本身的六个自由度关节，已经无法满足日益高端、功能复杂、工艺进步的工业自动化生产现场的相关要求。
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旋转协同功能轴的摆焊方法，用于解决现有技术中机器人带焊枪后大部分机器人本体类型的动作范围将会受到限制，机器人本身的六个自由度关节不能完成6轴法兰360°旋转的要求的问题。
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旋转协同功能轴的摆焊方法，包括机器人本体、用于扩展外部工位翻转面的回转轴和用于扩展外部工位回转面的翻转轴，所述回转轴和翻转轴共同组成外部工位全方位球形工作位置的拓展，所述方法包括：
步骤A：机器人本体与所述回转轴和翻转轴建立外部旋转轴协同功能；
步骤B：将外部旋转轴协同功能与焊接摆焊功能结合。
本发明主要实现了扩展外部协同功能轴，增加机器人自由度，协同功能可以改善机器人本体限制范围，增加运动范围内任意姿态的可操作性，可最大限度的避开机器人奇异点，更方便的完成复杂轨迹的示教与在线和对动作连续性的硬性要求。
进一步地，所述步骤A具体包括：
步骤A2：打开机器人控制系统内部协同功能，计算翻转面、回转面的范围与路径，并将回转轴与翻转轴纳入协同轨迹算法；
步骤A3：转动回转轴和翻转轴，机器人本体进行插补动作，增加前进插补轨迹算法，用于保证机器人本体末端法兰或者机器人本体末端待工具控制点相对于回转轴、翻转轴处于静止状态。
进一步地，所述步骤B为在所述协同轨迹算法、前进插补轨迹算法基础上叠加摆焊轨迹算法。
进一步地，所述步骤A1具体包括：
步骤A11：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，翻转轴坐标系j7，回转轴坐标系j8和目标坐标系o，得到在机器人协同运动前翻转轴坐标系j7在机器人基坐标系b的位姿
回转轴坐标系j8在机器人基坐标系b的位姿
回转轴坐标系j8在翻转轴坐标系j7的位姿
以及翻转轴坐标系j7在回转轴坐标系j8的位姿
计算公式为：
其中，
为
的逆矩阵，
为
的逆矩阵；
步骤A12：示教时，将工具移动至目标点，得到目标点新坐标系o’在j8轴旋转之后得到的回转轴新坐标系j8’下的位姿
以及目标点新坐标系o’在j7轴旋转之后的翻转轴新坐标系j7’下的位姿
计算公式为：
其中，
表示绕着j8轴旋转θ8角度后的变化矩阵，
为
的逆矩阵；
表示绕着j7轴旋转θ7角度后的变化矩阵，
为
的逆矩阵，当工具坐标系t与回转轴、翻转轴旋转后的目标点新坐标系o’重合，则
为单位矩阵。
进一步地，所述步骤A2具体包括：
步骤A21：在机器人本体协同运动轨迹o1点到o2点之间的任意一点o，分别对o1点进行示教，记此时j7轴和j8轴的旋转角度分别为θ7'和θ8'，工具在基坐标系t下的位置为t'；对o2点的位置示教，记此时翻转轴和回转轴的旋转角度分别为θ7”和θ8”，工具在基坐标系t下的位置为t”；
步骤A22：按照公式(3)和(4)计算得到
和
得到o1和o2的位置在回转轴新坐标系j8’下的位姿以及在翻转轴新坐标系j7’下的位姿。
进一步地，所述步骤A3具体包括：
步骤A31：根据直线插补方法，插补出o点在回转轴坐标系j8下的位置，并按照等效轴旋转插补方法，插补出o点在j8轴坐标系下的姿态，得到o点在j8轴坐标系下的位姿
其中j8协同轨迹算法轴坐标系是j8轴原坐标系，j8”'坐标系是根据j8'坐标系和j8”坐标系插补得到的新坐标系，它们的参考坐标系均为j8协同轨迹算法轴坐标系。
步骤A32：由j7轴分别在o1点和o2点时的角度θ7'、θ7”以及j8轴分别在o1点和o2点时的角度θ8'、θ8”，根据线性插补方法，插补得到j7轴的角度θ7”'和和j8轴的角度θ8”'，并计算出
其中，
为公式(1)中计算得到的标定
为单位矩阵；
步骤A33：协同轨迹算法得到
后，根据
可得到法兰盘坐标系f在基坐标系b下的位姿，
是
的逆矩阵，
已通过标定得到，根据
和机器人的DH参数，可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具体包括：
步骤B1：根据步骤A31可插补得到轨迹点坐标系O在j8轴坐标系下的位姿，建立摆焊坐标系O'：以轨迹点坐标系O的原点为圆心，轨迹的前进方向作为摆弧坐标系O'的x轴，焊枪的z轴叉乘摆弧坐标系O'的x轴可得到摆弧坐标系O'的y轴，摆弧坐标系O'的z轴通过右手定则确定；
步骤B2：得到摆弧轨迹上任意一点P在摆焊坐标系O'下的位姿
按照如下公式计算
其中，
为单位矩阵；
得到
后，根据
可得到法兰盘坐标系f在基坐标系b下的位姿，
是
的逆矩阵，
已通过标定得到，根据
和机器人的DH参数，可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)本发明实现了扩展外部协同功能轴，增加机器人自由度，协同功能可以改善机器人本体限制范围，增加运动范围内任意姿态的可操作性，可最大限度的避开机器人奇异点，更方便的完成复杂轨迹的示教与在线和对动作连续性的硬性要求。
(2)本发明旋转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，特别是厚板大件整圆、腰圆、相贯线、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+双旋转协同功能轴的结构示意图；
图2为本发明中协同坐标系的示意图；
图3为本发明中摆焊轨迹坐标系的示意图；
其中，1-机器人本体；2-回转轴；3-翻转轴。
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。
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旋转协同功能轴的摆焊方法，包括机器人本体1、用于扩展外部工位翻转面的回转轴3和用于扩展外部工位回转面的翻转轴2，机器人本体1为主要载体，主要承担再现运动轨迹功能，回转轴3为图1中翻转角度面旋转工位，主要是扩展外部工位翻转面的范围，翻转轴2为图1中回转角度面旋转工位，主要是扩展外部工位回转面的范围，回转轴3和翻转轴2，共同组成外部工位全方位球形工作位置的拓展范围，所述回转轴3和翻转轴2共同组成外部工位全方位球形工作位置的拓展。
所述方法包括：
步骤A：机器人本体1与所述回转轴3和翻转轴2建立外部旋转轴协同功能：
步骤A1：机器人本体1分别在回转轴3、翻转轴2的旋转过程中进行定点，确定协同坐标系，具体包括：
翻转轴2往正方向翻转到位，机器人本体1末端或带工具控制点在翻转轴2上定点；
翻转轴2回程到图示位置，机器人本体1末端或带工具控制点在翻转轴上定点；
翻转轴2往反方向翻转到位，机器人本体1末端或带工具控制点在翻转轴上定点；
回转轴3往正方向回转到位，机器人本体1末端或带工具控制点在回转轴上定点；
回转轴3回程到图示位置，机器人本体1末端或带工具控制点在回转轴上定点；
回转轴3往反方向回转到位，机器人本体1末端或带工具控制点在回转轴上定点。
步骤A2：打开机器人控制系统内部协同功能，计算翻转面、回转面的范围与路径，并将回转轴与翻转轴纳入协同轨迹算法；
步骤A3：转动回转轴和翻转轴，机器人本体进行插补动作，增加前进插补轨迹算法，用于保证机器人本体末端法兰或者机器人本体末端待工具控制点相对于回转轴、翻转轴处于静止状态。
所述步骤B为在所述协同轨迹算法、前进插补轨迹算法基础上叠加摆焊轨迹算法。
实施例2：
在实施例1的基础上，结合图2所示，所述步骤A1具体包括：
步骤A11：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，翻转轴坐标系j7，回转轴坐标系j8和目标坐标系o，得到在机器人协同运动前翻转轴坐标系j7在机器人基坐标系b的位姿
回转轴坐标系j8在机器人基坐标系b的位姿
回转轴坐标系j8在翻转轴坐标系j7的位姿
以及翻转轴坐标系j7在回转轴坐标系j8的位姿
计算公式为：
其中，
为
的逆矩阵，
为
的逆矩阵；
步骤A12：示教时，将工具移动至目标点，得到目标点新坐标系o’在j8轴旋转之后得到的回转轴新坐标系j8’下的位姿
以及目标点新坐标系o’在j7轴旋转之后的翻转轴新坐标系j7’下的位姿
计算公式为：
其中，
表示绕着j8轴旋转θ8角度后的变化矩阵，
为
的逆矩阵；
表示绕着j7轴旋转θ7角度后的变化矩阵，
为
的逆矩阵，当工具坐标系t与回转轴3、翻转轴2旋转后的目标点新坐标系o’重合，则
为单位矩阵。
所述步骤A2具体包括：
步骤A21：在机器人本体1协同运动轨迹o1点到o2点之间的任意一点o，分别对o1点进行示教，记此时j7轴和j8轴的旋转角度分别为θ7'和θ8'，工具在基坐标系t下的位置为t'；对o2点的位置示教，记此时翻转轴2和回转轴3的旋转角度分别为θ7”和θ8”，工具在基坐标系t下的位置为t”；
步骤A22：按照公式(3)和(4)计算得到
和
得到o1和o2的位置在回转轴新坐标系j8’下的位姿以及在翻转轴新坐标系j7’下的位姿。
所述步骤A3具体包括：
步骤A31：根据直线插补方法，插补出o点在回转轴坐标系j8下的位置，并按照等效轴旋转插补方法，插补出o点在j8轴坐标系下的姿态，得到o点在j8轴坐标系下的位姿
其中j8协同轨迹算法轴坐标系是j8轴原坐标系，j8”'坐标系是根据j8'坐标系和j8”坐标系插补得到的新坐标系，它们的参考坐标系均为j8协同轨迹算法轴坐标系。
步骤A32：由j7轴分别在o1点和o2点时的角度θ7'、θ7”以及j8轴分别在o1点和o2点时的角度θ8'、θ8”，根据线性插补方法，插补得到j7轴的角度θ7”'和和j8轴的角度θ8”'，并计算出
其中，
为公式(1)中计算得到的标定
为单位矩阵；
步骤A33：得到
后，根据
可得到法兰盘坐标系f在基坐标系b下的位姿，
是
的逆矩阵，
已通过标定得到，根据
和机器人的DH参数，可反解得到机器人的关节角度j1～j6的值。
实施例4：
在实施例3的基础上，所述步骤B具体包括：
步骤B1：根据步骤A31可插补得到轨迹点坐标系O在j8轴坐标系下的位姿，摆弧坐标系的建立方法如下：以轨迹点坐标系O的原点为圆心，轨迹的前进方向作为摆弧坐标系O'的x轴，焊枪的z轴叉乘摆弧坐标系O'的x轴可得到摆弧坐标系O'的y轴，摆弧坐标系O'的z轴通过右手定则确定，如图3所示，摆弧的轨迹位于轨迹点坐标系O的xy平面内，以sin曲线摆弧为例，摆弧周期为X，摆弧的幅值为A，可得到y关于x的表达式y＝A*sin(2*pi/X*x),给定p点的x的坐标，可求出y的值，协同轨迹算法z恒定为0，到摆弧点p点相对于摆弧坐标系O'的位置，p点的姿态与O点的姿态相同，可得到p点在摆弧坐标系O'下的位姿，即
按照如下公式计算
其中，
为单位矩阵；
得到
后，根据
可得到法兰盘坐标系f在基坐标系b下的位姿，
是
的逆矩阵，
已通过标定得到，根据
和机器人的DH参数，可反解得到机器人的关节角度j1～j6的值。
值得说明的是，实施例3和实施例4中的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)，根据
和机器人的DH参数，可反解得到机器人的关节角度j1～j6的值(见机器人学导论(John JCraig，第三版，第三章和第四章))也为现有技术，在此不再详述。
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 (5)
1.一种基于六自由度机器人扩展双旋转协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，包括机器人本体、用于扩展外部工位翻转面的回转轴和用于扩展外部工位回转面的翻转轴，所述回转轴和翻转轴共同组成外部工位全方位球形工作位置的拓展，所述方法包括：
步骤A：机器人本体与所述回转轴和翻转轴建立外部旋转轴协同功能，具体包括：
步骤A1：机器人本体分别在回转轴、翻转轴的旋转过程中进行定点，确定协同坐标系；
步骤A2：打开机器人控制系统内部协同功能，计算翻转面、回转面的范围与路径，并将回转轴与翻转轴纳入协同轨迹算法；
步骤A3：转动回转轴和翻转轴，机器人本体进行插补动作，增加前进插补轨迹算法，用于保证机器人本体末端法兰或者机器人本体末端待工具控制点相对于回转轴、翻转轴处于静止状态；
所述步骤A1具体包括：
步骤A11：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，翻转轴坐标系j7，回转轴坐标系j8和目标坐标系o，得到在机器人协同运动前翻转轴坐标系j7在机器人基坐标系b的位姿
回转轴坐标系j8在机器人基坐标系b的位姿
回转轴坐标系j8在翻转轴坐标系j7的位姿
以及翻转轴坐标系j7在回转轴坐标系j8的位姿
计算公式为：
其中，
为
的逆矩阵，
为
的逆矩阵；
步骤A12：示教时，将工具移动至目标点，得到目标点新坐标系o’在j8轴旋转之后得到的回转轴新坐标系j8’下的位姿
以及目标点新坐标系o’在j7轴旋转之后的翻转轴新坐标系j7’下的位姿
计算公式为：
其中，
表示绕着j8轴旋转θ8角度后的变化矩阵，
为
的逆矩阵；
表示绕着j7轴旋转θ7角度后的变化矩阵，
为
的逆矩阵，当工具坐标系t与回转轴、翻转轴旋转后的目标点新坐标系o’重合，则
为单位矩阵；
步骤B：将外部旋转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旋转协同功能轴的摆焊方法，其特征在于，所述步骤B为在所述协同轨迹算法、前进插补轨迹算法基础上叠加摆焊轨迹算法。
3.根据权利要求1或2所述的基于六自由度机器人扩展双旋转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：在机器人本体协同运动轨迹o1点到o2点之间的任意一点o，分别对o1点进行示教，记此时j7轴和j8轴的旋转角度分别为θ7'和θ8'，工具在基坐标系t下的位置为t'；对o2点的位置示教，记此时翻转轴和回转轴的旋转角度分别为θ7”和θ8”，工具在基坐标系t下的位置为t”；
步骤A22：按照公式(3)和(4)计算得到
和
得到o1和o2的位置在回转轴新坐标系j8’下的位姿以及在翻转轴新坐标系j7’下的位姿。
4.根据权利要求3所述的基于六自由度机器人扩展双旋转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：根据直线插补方法，插补出o点在回转轴坐标系j8下的位置，并按照等效轴旋转插补方法，插补出o点在j8轴坐标系下的姿态，得到o点在j8轴坐标系下的位姿
步骤A32：由j7轴分别在o1点和o2点时的角度θ7'、θ7”以及j8轴分别在o1点和o2点时的角度θ8'、θ8”，根据线性插补方法，插补得到j7轴的角度θ7”'和和j8轴的角度θ8”'，并计算出
其中，
为公式(1)中计算得到的标定
为单位矩阵；
步骤A33：协同轨迹算法得到
后，根据
可得到法兰盘坐标系f在基坐标系b下的位姿，
是
的逆矩阵，
已通过标定得到，根据
和机器人的DH参数，可反解得到机器人的关节角度j1～j6的值。
5.根据权利要求4所述的基于六自由度机器人扩展双旋转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：根据步骤A31可插补得到轨迹点坐标系O在j8轴坐标系下的位姿，建立摆焊坐标系O'：以轨迹点坐标系O的原点为圆心，轨迹的前进方向作为摆弧坐标系O'的x轴，焊枪的z轴叉乘摆弧坐标系O'的x轴可得到摆弧坐标系O'的y轴，摆弧坐标系O'的z轴通过右手定则确定；
步骤B2：得到摆弧轨迹上任意一点P在摆焊坐标系O'下的位姿
按照如下公式计算
其中，
为单位矩阵；
得到
后，根据
可得到法兰盘坐标系f在基坐标系b下的位姿，
是
的逆矩阵，
已通过标定得到，根据
和机器人的DH参数，可反解得到机器人的关节角度j1～j6的值。
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