CN110497411B - 一种工业机器人协同运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业机器人协同运动控制方法，采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，需要确立协同插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡；协同插补的输入由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，协同插补的输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动。本发明针对具有时间和轨迹约束的协同运动，提出了主运动单元轨迹与协同轨迹同步插补，再利用协同变换计算出从运动单元真实目标位姿的插补方法，保证了协同轨迹的完全可控性；针对仅具有时间约束的同步运动，提出了直接同步插补两个运动单元轨迹的插补方法。本发明所提供的协同运动控制方法具备用于实际的可行性。

Description

一种工业机器人协同运动控制方法

技术领域

本发明属于机械控制技术领域，涉及到工业机器人，具体涉及一种工业机器人协同运动控制方法。

背景技术

随着人力成本的提高和制造业对自动化、智能化发展的需求，工业机器人在焊接、码垛、搬运、喷涂和装配等各类工业生产中得到了广泛的应用。工业机器人的应用规模不断扩大的同时，对机器人的技术要求也在不断提高。工业生产中对复杂加工工艺的要求使得传统的单机器人工作模式难以胜任。例如，在机器人进行工件焊接时，往往要求工件能够变换姿态，以使机器人能够以更加合理的位置和角度对工件进行焊接；在对体积和重量较大的工件进行搬运的场合，往往需要多台机器人协同工作才能够胜任。因此，机器人系统目前正从单机器人任务模式朝着多机器人的协同工作模式升级。

机器人协同运动控制，由于涉及到多个机器人的闭环运动控制链，比单机器人控制起来要复杂许多。一是对机器人的精度要求更高，普通的单机器人只有自身精度问题，而多机器人协同，除了自身精度还要保证机器人之间的空间位置精度，并且这些精度问题都会对协同配合效果产生很大的影响；二是对轨迹控制的复杂度增大，单机器人只有自身轨迹问题，而多机器人还有机器人之间的相对轨迹问题；三是随着机器人控制数量的增多，对控制算法的效率和控制器的性能的要求也更高。

协同运动控制技术主要包括两个方面：一是建立起多个机器人之间空间位置关系，这一般是通过基坐标系标定来实现；二是协同插补算法，协同插补算法中比较关键的技术是协同轨迹的过渡技术和多个运动单元的同步速度规划技术。

多机器人同步速度规划是实现机器人间同步运动和协同运动的基础。目前关于多机器人同步速度规划方面的相关研究还不多。在实际应用中，物理上实现机器人同步的方式有两种：单控制器方式和多控制器方式。单控制器在控制器内部实现多台机器人的同步；多控制器则需要由专门的通信线路来进行机器人间的同步。使用多控制器的方式时，物理上进行需要一些额外的线路，而且还需要将数据发送到每个机器人控制器，存在因通信延时而造成多个机器人信号不同步的问题，如此对协同轨迹的可控性不足。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种工业机器人协同运动控制方法，针对具有时间和轨迹约束的协同运动，提出了主运动单元轨迹与协同轨迹同步插补，再利用协同变换计算出从运动单元真实目标位姿的插补方法，保证了协同轨迹的完全可控性；针对仅具有时间约束的同步运动，提出了直接同步插补两个运动单元轨迹的插补方法。对协同插补中协同轨迹过渡的问题，提出了基于Bezier样条的过渡方法，对协同轨迹的位置和姿态进行过渡，并介绍了过渡样条与原轨迹进行拼接成新的轨迹的方法。本发明所提供的协同运动控制方法具备用于实际的可行性。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种工业机器人协同运动控制方法，采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，需要确立协同插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡；协同插补的输入由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，协同插补的输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动。

优选地，协同运动的插补流程包括插补输入、插补预处理和实时插补输出；对于协同插补的多组轨迹输入，主机器人输入其真实目标轨迹，从机器人则以协同轨迹作为其输入；插补预处理，是对于需要过渡的轨迹插入过渡段，计算出轨迹的长度以便进行速度规划时将速度表示成轨迹长度，并对轨迹进行速度预处理，特别是存在过渡时，速度预处理需要对一整段连续轨迹进行处理；在进行实时插补输出时，如果在该段轨迹完全插补完前，对机器人的速度倍率进行了修调，则目标速度发生了改变，就需要重新进行同步速度规划，否则只需要在该段轨迹插补预处理后进行一次即可；主从的插补输出每个插补周期都要进行，与插补输入对应的，主机器人插补输出的是主机器人真实的目标位姿，而从机器人插补出来的是相对位姿，需要利用协同逆变换求出从机器人的真实目标位姿，最后将主从机器人的位姿转化成关节值一次性发送给伺服驱动器，完成一个周期的插补控制。

优选地，如果两个运动单元的轨迹不存在约束关系，直接插补两个运动单元的真实目标轨迹，之后进行同步速度规划，实现两个运动单元间的同步运动。

优选地，对协同轨迹直接进行插补，协同轨迹的过渡采用Bezier样条；所述协同轨迹是笛卡尔空间的一段轨迹，包含位置和姿态两方面，协同轨迹的过渡涉及位置过渡和姿态过渡。

优选地，所述位置过渡采用基于三次Bezier样条的位置过渡方法，首先确定过渡点和控制点，过渡长度取两段轨迹中较短轨迹的一半乘以比例过渡系数cnt,cnt的取值范围是0-100％，由机器人的指令来具体确定；其次，进行轨迹的拼接，以样条的中点将Bezier样条一分为二，样条的前半段与第一段轨迹拼接成新的第一段轨迹，样条的后半段与第二段轨迹拼接成新的第二段轨迹；轨迹拼接后方便后续进行速度预处理和速度规划。

优选地，所述姿态过渡采用基于三次Bezier样条曲线的姿态过渡方法，首先，确定过渡点和控制点，姿态过渡长度以及控制点的选取采用与直线-直线位置过渡一样的方法；其次，对轨迹进行拼接，拼接规则与位置过渡的拼接规则保持一致。

优选地，根据进行同步速度规划对象的特征，采用两种不同的同步速度规划方法；一种是基于扩展联动轴的同步速度规划方法，即将一个运动单元的所有轴作为另一个运动单元的扩展轴，然后对所有轴一起进行速度规划；另一种是基于扩展分组的同步速度规划方法，即将两个运动单元作为不同的组，对每个组分别进行速度规划，最后进行组与组的速度同步。

优选地，在给定的限制条件下完成给定轨迹的速度规划，其目标包括两类：第一类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间最短，第二类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间等于指定值。

优选地，基于最短时间的速度规划方法采用梯形加减速的速度形式，梯形速度分为匀加速-匀速-匀减速三段。

优选地，基于给定时间的速度规划用于确保机器人在指定的时间内完成给定轨迹的运动，基于给定时间的速度规划必须满足给定的时间大于等于规划的最短时间，包括两种形式：其一，只要求整段规划的时间等于给定值，对于中间各个阶段不做要求；其二，要求加速段、匀速段和减速段三段的时间都分别等于该阶段的给定值；对这两种形式给定时间的速度规划均采用梯形速度规划进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)针对具有时间和轨迹约束的协同运动，提出了主运动单元轨迹与协同轨迹同步插补，再利用协同变换计算出从运动单元真实目标位姿的插补方法，保证了协同轨迹的完全可控性；针对仅具有时间约束的同步运动，提出了直接同步插补两个运动单元轨迹的插补方法。

(2)对机器人位置和姿态的样条过渡进行了研究，并提出了样条过渡轨迹的拼接方法和带样条过渡的连续轨迹的速度预处理方法；将过渡方法应用到协同轨迹，实现了直线-直线、直线-圆弧和圆弧-圆弧协同轨迹的Bezier样条过渡。

(3)针对机器人与轴数较少的变位机提出了基于扩展联动轴规划方法，针对多机器人提出了基于扩展分组的规划方法，并对同步速度规划中使用的基于最短时间和基于给定时间的两类速度规划方法分别进行了描述。

(4)在对机器人协同技术研究的基础上，完成了多机器人协同系统的开发和离线协同仿真平台的搭建，并以此为平台对协同插补算法进行验证。实验证明了整个协同插补算法的正确性和可行性。

附图说明

图1是本发明所提供的一种工业机器人协同运动控制方法的总体流程图。

图2是协同运动插补流程图。

图3是同步运动插补流程图。

图4是三次Bezier样条曲线图。

图5是位置过渡示意图。

图6是Slerp姿态规划示意图。

图7是姿态过渡示意图。

图8是带样条过渡的轨迹速度预处理方法流程图。

图9是基于扩展轴的同步速度规划方法流程图。

图10是基于扩展分组的同步速度规划方法流程图。

图11是梯形速度规划示意图。

图12是时间最短的梯形速度规划示意图。

图13是总时间给定的梯形速度规划示意图。

图14是各阶段时间给定的梯形速度规划示意图。

图15是本发明实施例所提供的机器人变位机协同实验平台示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明公开了一种工业机器人协同运动控制方法，采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，基于主从关系的协同插补方法与普通单机器人的插补方法不同，主要表现在以下几个方面：(1)主从协同插补输入的是两组轨迹，输出的是主从机器人本周期的目标位置；(2)主从协同插补需要对主从机器人进行同步速度规划；(3)单机器人插补保证的是单机器人的轨迹，而主从协同插补优先保证的是主从之间的协同轨迹，考虑协同轨迹的平滑，就需要对协同轨迹进行过渡处理。

协同插补的关键是确立插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡。如图1所示，协同插补的输入一般由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，而协同插补输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动。

主从协同运动插补流程分为：插补输入、插补预处理和实时插补输出，如图2所示。

对于协同插补的多组轨迹输入，设计主机器人输入其真实目标轨迹，而从机器人则是以协同轨迹作为其输入。这种输入方式优势在于，轨迹预处理、速度预处理和同步速度规划都将直接作用于协同轨迹，这能保证协同轨迹以及协同运动的相对速度具有完全的可控性。

插补预处理，主要是对于需要过渡的轨迹插入过渡段，计算出轨迹的长度以便进行速度规划时将速度表示成轨迹长度，并对轨迹进行速度预处理，特别是存在过渡时，速度预处理需要对一整段连续轨迹进行处理。由于从机器人输入的是协同轨迹，所以对协同轨迹的过渡可以完全按照普通轨迹的过渡形式来处理。

在进行实时插补输出时，主从的同步速度规划并不是每个插补周期都需要进行，而是如果在该段轨迹完全插补完前，对机器人的速度倍率进行了修调，则目标速度发生了改变，就需要重新进行同步速度规划，否则只需要在该段轨迹插补预处理后进行一次即可。主从的插补输出则是每个插补周期都要进行，与插补输入对应的，主机器人插补输出的是主机器人真实的目标位姿，而从机器人插补出来的是相对位姿，故需要利用协同逆变换求出从机器人的真实目标位姿，最后将主从机器人的位姿转化成关节值一次性发送给伺服驱动器，完成一个周期的插补控制。

另外，值得一提的是，如果两个运动单元的轨迹不存在约束关系，直接插补两个运动单元的真是目标轨迹，之后进行同步速度规划，那么将实现两个运动单元间的同步运动。同步运动的插补流程如图3所示。

采用将协同轨迹直接进行插补的方式，协同轨迹的过渡可以完全按照普通机器人轨迹的过渡形式进行处理。以Bezier样条为基础处理协同轨迹过渡问题。

Bezier样条的表达式如下：

其基函数

P_i是控制点。当n＝3时，为三次Bezier曲线。如图4所示，三次Bezier曲线具有端点插值P(0)＝P₀，P(1)＝P₃，端点切矢

与控制多边形的起、止边相切等性质，做为过渡能够实现G2连续(曲率连续)，故非常适合用于作为过渡曲线。

协同轨迹是笛卡尔空间的一段轨迹，包含位置和姿态两方面的含义，所以协同轨迹的过渡就涉及位置过渡和姿态过渡。实现样条过渡的关键是过渡点和控制点的选择，以及如何对新增的样条段进行处理以便对其进行速度规划和同步速度规划。下面从位置过渡和姿态过渡两个方面分别进行描述。

(1)位置过渡

笛卡尔坐标系中机器人运动最常见的轨迹形式是直线和圆弧，考虑过渡组合起来有三种情况：直线-直线过渡，直线-圆弧过渡，圆弧-圆弧过渡。两段轨迹P_aP_b、P_bP_c相交于P_b点，则基于三次Bezier样条的位置过渡方法如下：

首先确定过渡点和控制点。过渡长度L取两段轨迹中较短轨迹的一半乘以比例过渡系数cnt(0-100％)。Bezier样条的其余两个控制点P₁和P₂，从切线上进行选取。对于直线-直线过渡，直接选择两切线的交点，也就是两段轨迹的转折点，见图5(a)；对于直线-圆弧过渡，|P₁P₀|取为过渡长度L的3倍，|P₂P₃|取为过渡长度L的

倍，见图5(b)；对于圆弧-圆弧过渡，|P₁P₀|、|P₂P₃|均取为过渡长度L的

倍，见图5(c)。过渡系数由机器人的指令来具体确定，当cnt＝0时，L＝0，即P₀、P₁、P₂、P₃都与P_b重合，即不进行过渡；当cnt＝100％时，过渡长度最大。

其次，进行轨迹的拼接。以样条的中点将Bezier样条一份为二，样条的前半段与第一段轨迹拼接成新的第一段轨迹，样条的后半段与第二段轨迹拼接成新的第二段轨迹。轨迹拼接后可以方便后续进行速度预处理和速度规划。

(2)姿态过渡

姿态采用四元数的表示方式，任何空间姿态都可以表示为四元数单位球面上的一个点，姿态规划就是从球面上的一个点到另一个点的规划，最常用的姿态规划方法是Slerp(spherical linear interpolation球面线性插值)，即沿着球面的一条弧线从一个姿态点到另一个姿态点，如图6所示。

Slerp插值公式如下：

其中，q_s是四元数表示的姿态起点，q_e是终点，θ是q_s与q_e的夹角。如果前后两段姿态弧线轨迹有夹角，则可以对姿态进行过渡，以保证姿态的平滑，过渡的方法同样采用三次Bezier曲线。

设控制点为(q₀,q₁,q₂,q₃)，则三次Bezier样条曲线方程的四元数表示如下：

其中，ω_i＝log(q_i-1 ^-1q_i) (3)

且

代入式(2)可得出三次Bezier样条的曲线的四元数表示如下：

基于三次Bezier样条曲线的姿态过渡方法如下：

首先，确定过渡点和控制点。如图7所示，姿态过渡长度以及控制点的选取采用与直线-直线位置过渡一样的方法，即q₁、q₂与姿态转折点q_b重合，选取θ(q_a,q_b)和θ(q_b,q_c)中较小者的一半乘以过渡系数cnt来作为过渡长度θ_L，又取θ(q₀,q₁)＝θ(q₂,q₃)＝θ_L，则三次Bezier样条曲线可以表示为

其次，对轨迹进行拼接。拼接规则与位置过渡的拼接规则保持一致，在此不再赘述。

速度预处理的目标是对各段轨迹的起终点速度进行估计，以便后续的速度规划。

对于无过渡的轨迹，由于前后段轨迹之间不能保证平滑，如果起终点速度不为0，将会存在速度的突变，不符合速度规划的要求，所以对于无过渡的轨迹，将各段的起点速度和终点速度均设为0。

对于带样条过渡的轨迹，由于前后两段轨迹之间插入了过渡样条段，存在连续多段构成的平滑轨迹。连续平滑轨迹的各段起点速度Vb，终点速度Ve，限制条件包括指令速度、最大速度、最大加速度、轨迹曲率限制等。速度预处理的方法如图8所示。

在给定的限制条件下完成给定轨迹的速度规划，其目标可以分为两类。第一类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间最短，第二类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间等于指定值。第一类规划目标保证机器人运行时间的最短，效率最高，是机器人最优先的速度规划方法；第二类规划目标一般用于同步处理，如各个关节轴的同步，位置和姿态的同步，多机器人速度的同步也可用此法。

根据进行同步速度规划对象的特征，提出两种不同的同步速度规划方法。一种是基于扩展联动轴的同步速度规划方法，即将一个运动单元的所有轴作为另一个运动单元的扩展轴，然后对所有轴一起进行速度规划；另一种是基于扩展分组的同步速度规划，即将两个运动单元作为不同的组，对每个组分别进行速度规划，最后进行组与组的速度同步。

变位机一般只在关节空间进行规划，控制的轴数较少，控制起来也较简单，当需要与其他机器人进行同步速度规划时，比较适合采用基于扩展联动轴的方法；而机器人除了关节空间的运动外，还要实现笛卡尔空间的复杂轨迹运动，并且控制的轴数较多，控制起来也更复杂，适合独立进行控制，当需要与其他机器人进行同步速度规划时，可以采用基于扩展分组的方法。下面对其分别对这两种方法进行介绍。

(1)基于扩展联动轴的同步速度规划方法

基于扩展联动轴的同步速度规划同时进行关节和笛卡尔空间的最短时间速度规划，然后对时间较短的环节按较长环节的时间进行给定时间的速度规划。如图9所示，速度规划1指的是基于最短时间的速度规划，而速度规划2指的是基于给定时间的速度规划。这种同步速度规划处理流程与单机器人速度规划的处理流程基本是一致的，两者的不同点在于：

单机器人的速度规划输入的是一组轨迹，轨迹只能是关节运动或者笛卡尔空间运动(平动和转动)中的一种，而基于扩展联动轴的同步速度规划由于控制的是两个运动单元，输入的是两组轨迹S₁、S₂，其中一组轨迹为关节运动轨迹，另一组可以可以是关节运动轨迹或笛卡尔空间运动轨迹，输出的是两个运动单元速度V与其轨迹长度s的函数表达V＝V₁(s)(0≤s≤S₁)，V＝V₂(s)(0≤s≤S₂)。

基于扩展联动轴的同步速度规划则充分利用了关节速度规划简单独立的特点，在基本不修改原有单机器人速度规划结构的形式上，添加几个关节轴就可以实现。这对于变位机这种只做关节运动的运动单元是一种很好的与机器人同步的方式。

(2)基于扩展分组的同步速度规划方法

基于扩展分组的同步速度规划方法先对单个机器人进行时间最短的速度规划，再对时间短按时间长的进行给定时间的速度规划。如图10所示，速度规划1指的是单机器人的基于最短时间速度规划，而速度规划2指的是单机器人的基于给定时间速度规划。单机器人的这两种目标的速度规划处理方法，即对机器人的关节轨迹或者笛卡尔空间轨迹进行与整体目标相同的速度规划，以达到单个机器人整体规划时间最短或者规划时间等于给定值。

基于扩展分组的同步速度规划方法输入的是两个机器人的轨迹S₁、S₂，输出速度V与其轨迹长度s的函数表达V＝V₁(s)(0≤s≤S₁)，V＝V₂(s)(0≤s≤S₂)。

在各种速度形式中，最简单有效的速度规划方法是梯形加减速，本发明将以梯形加减速和直线轨迹为例说明基于最短时间的速度规划方法。梯形速度规划采用匀加速-匀速-匀减速三段描述，如图11所示。

由此，可以推导出梯形速度规划中位移函数S(t)与速度函数V(t)如下所示：

对最短时间速度规划进行推导，设指令速度v_o，起点速度v_b(v_b≤v_o)，终点速度v_e(v_e≤v_o)，直线起点P_b(x_b,y_b,z_b)，直线终点Pe(x_e,y_e,z_e)，最大加速度a。可以求得轨迹长度和位置P关于位移的函数如下：

确定轨迹实际的规划情况，首先，计算匀加速匀减速的临界位移S₁和只有匀加(减)速的临界位移S₂，具体计算公式如下：

其次，讨论实际轨迹长度S_total与临界位移的大小，根据不同情况作出不同的处理方法。当S_total<10^-3时，表示位移太小，不需要进行规划；当S_total<S₂时，位移不足以用于变速，放弃终速v_e或加速度a，其中若v_b>v_e，则增大加速度a至a’，见图12(a)，若v_b<v_e，则减小终速v_e至v_e’，见图12(b)；当S₂≤S_total<S₁时,需将目标速度v_o调整为v_o’,然后做没有匀速段的速度规划，见图12(c)；其余情况进行标准的三段式梯形速度规划即可，见图12(d)。

由图12，可以清晰的计算出实际轨迹的位移、速度以及加速度与时间的函数，整段轨迹规划的最短时间Tm也可以据此算出。至此，就完成了基于最短时间速度规划的整个过程。

基于给定时间的速度规划确保机器人在指定的时间内完成给定轨迹的运动，是进行机器人同步速度规划中最为关键的一步。基于给定时间的速度规划必须满足给定的时间大于等于上一节规划的最短时间Tm，具体的规划形式根据对每个小段时间的要求不一样有很多种形式。其中最具特点的两种形式：其一，简单地只要要求整段规划的时间等于给定值即可，对于中间各个阶段不做求；其二，明确的要求加速段匀速段和减速段三段的时间都分别等于该阶段的给定值，显然第二种的要求比第一种更加严格。

同样以梯形速度规划来对这两种形式的给定时间的速度规划进行推导。设指令速度v_o，起点速度v_b(v_b≤v_o)，终点速度v_e(v_e≤v_o)，最大加速度a。轨迹长度S_total以及轨迹位置关于长度的函数与轨迹的具体形式有关，这里不再赘述。

(1)总时间等于给定值的速度规划

此种速度规划方式是在最大加速度a的限制下，以在指定时间T时刻运动到指定的位移为目标进行规划。具体规划步骤如下：

首先，计算匀加匀减两段的临界位移S₀，包含匀速段的临界位移较小者S₁，包含匀速段的临界位移较大者S₂，减速升速两段转折速度v_m，减速升速两段临界位移S₃，减速到0再同加速度升速临界位移S₄，公式如下：

当v_m>0时，

当v_m<＝0时，

其次，讨论实际轨迹长度S_total与临界位移的大小，根据不同情况作出不同的处理方法。当S_total<10^-3时，表示位移太小，不需要进行规划；当S_total<S₄，做减速到0再升速规划，此时加速度过最大加速度，应当避免，见图13(a)；当S₄≤S_total<S₃，做减速升速两段规划，加速度过最大加速度，应当避免，见图13(b)；当S₃≤S_total<S₂，做减速匀速升速三段规划，见图13(c)；当S₂≤S_total<S₁，调整v_m为v_m’，做减(加)速匀速减(加)速三段规划，见图13(d)；当S_total<S₀，做加速匀速减速三段规划，见图13(e)；其余情况时间太短，规划失败。

由图13，可以清晰的计算出实际轨迹的位移、速度以及加速度与时间的函数。至此，便完成了总时间等于给定值速度规划的整个过程。

(2)各阶段时间都给定的速度规划

此种速度规划方式不仅要求总时间相等，而且要求在规划的各段时间(t₁,t₂,t₃)都等于给定值的情况下完成指定位移的运动。规划步骤与上面类似，主要包括：

首先，计算中间匀速段0速临界位移S₁，其具体的计算公式如下所示：

S₁＝t₁*v_b/2+t₃*v_e/2 (12)

其次，讨论实际轨迹长度S_total与临界位移的大小，根据不同情况作出不同的处理方法。当S_total<S₁，小于最小位移，需要提前减速到0，再滞后从0加速到v_e，不能满足要求，应避免，见图14(a)；其余情况做普通3段梯形速度规划，见图14(b)。

由图14，可以清晰的计算出实际轨迹的位移、速度以及加速度与时间的函数。至此，便完成了各阶段时间都给定的速度规划的整个过程。

实施例

本实验旨在在真实环境中，对基于扩展联动轴的协同插补方法进行验证，并检验变位机基坐标系标定误差对协同运动的影响。

本实验是在变位机基坐标系标定实验的基础上进行的，采用的平台也与其完全一致：2轴变位机、HSR-JR612焊接机器人、机器人控制柜和示教器，如图15所示。控制柜采用1个控制器接8个伺服驱动器，同时拖动机器人和变位机，控制器的插补周期为1ms。

本实验设计了三段轨迹来验证机器人与变位机的协同功能，轨迹包括：一段关节运动回零点P₀，机器人一段直线运动到与变位机上的标定针接触(P₀->P₁)，一段直线协同轨迹(P₁->P₂)，从变位机的标定针尖点到变位机的2轴轴心线。轨迹的节点数据如表1所示。

表1协同运动轨迹节点

本实验在机器人的六轴控制基础上，采用2个扩展轴对变位机进行控制，实现了8轴联动。从协同运动的整体效果来看，机器人与变位机成功地完成了设定轨迹的运动，这也验证了基于扩展联动轴的同步速度规划方法以及整个协同插补算法的正确性。但在本实验中，由于变位机基坐标系的标定误差以及机器人与变位机本身的定位误差，机器人与变位机的协同轨迹与理论值还是存最大为6mm的偏差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，需要确立协同插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡；协同插补的输入由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，协同插补的输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动；

协同运动的插补流程包括插补输入、插补预处理和实时插补输出；对于协同插补的多组轨迹输入，主机器人输入其真实目标轨迹，从机器人则以协同轨迹作为其输入；插补预处理，是对于需要过渡的轨迹插入过渡段，计算出轨迹的长度以便进行速度规划时将速度表示成轨迹长度，并对轨迹进行速度预处理，存在过渡时，速度预处理需要对一整段连续轨迹进行处理；在进行实时插补输出时，如果在该段轨迹完全插补完前，对机器人的速度倍率进行了修调，则目标速度发生了改变，就需要重新进行同步速度规划，否则只需要在该段轨迹插补预处理后进行一次即可；主从的插补输出每个插补周期都要进行，与插补输入对应的，主机器人插补输出的是主机器人真实的目标位姿，而从机器人插补出来的是相对位姿，需要利用协同逆变换求出从机器人的真实目标位姿，最后将主从机器人的位姿转化成关节值一次性发送给伺服驱动器，完成一个周期的插补控制。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：如果两个运动单元的轨迹不存在约束关系，直接插补两个运动单元的真实目标轨迹，之后进行同步速度规划，实现两个运动单元间的同步运动。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：对协同轨迹直接进行插补，协同轨迹的过渡采用Bezier样条；所述协同轨迹是笛卡尔空间的一段轨迹，包含位置和姿态两方面，协同轨迹的过渡涉及位置过渡和姿态过渡。

4.根据权利要求3所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：所述位置过渡采用基于三次Bezier样条的位置过渡方法，首先确定过渡点和控制点，过渡长度取两段轨迹中较短轨迹的一半乘以比例过渡系数cnt,cnt的取值范围是0-100％，由机器人的指令来具体确定；其次，进行轨迹的拼接，以样条的中点将Bezier样条一分为二，样条的前半段与第一段轨迹拼接成新的第一段轨迹，样条的后半段与第二段轨迹拼接成新的第二段轨迹；轨迹拼接后方便后续进行速度预处理和速度规划。

5.根据权利要求4所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：所述姿态过渡采用基于三次Bezier样条曲线的姿态过渡方法，首先，确定过渡点和控制点，姿态过渡长度以及控制点的选取采用与位置过渡一样的方法；其次，对轨迹进行拼接，拼接规则与位置过渡的拼接规则保持一致。

6.根据权利要求1所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：根据进行同步速度规划对象的特征，采用两种不同的同步速度规划方法；一种是基于扩展联动轴的同步速度规划方法，即将一个运动单元的所有轴作为另一个运动单元的扩展轴，然后对所有轴一起进行速度规划；另一种是基于扩展分组的同步速度规划方法，即将两个运动单元作为不同的组，对每个组分别进行速度规划，最后进行组与组的速度同步。

7.根据权利要求1所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：在给定的限制条件下完成给定轨迹的速度规划，其目标包括两类：第一类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间最短，第二类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间等于指定值。

8.根据权利要求7所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：基于最短时间的速度规划方法采用梯形加减速的速度形式，梯形速度分为匀加速-匀速-匀减速三段。

9.根据权利要求7所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：基于给定时间的速度规划用于确保机器人在指定的时间内完成给定轨迹的运动，基于给定时间的速度规划必须满足给定的时间大于或等于规划的最短时间，包括两种形式：其一，只要求整段规划的时间等于给定值，对于中间各个阶段不做要求；其二，要求加速段、匀速段和减速段三段的时间都分别等于该阶段的给定值；对这两种形式给定时间的速度规划均采用梯形速度规划进行。

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