CN110561387B - 工业机器人系统中可旋转工件的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业机器人系统中可旋转工件的测定方法，在机器人离线编程过程中能准确地指定可旋转工件的基坐标。包括以下步骤：示教测量可旋转工件上的5个点，测量过程中需两次通过机器人控制系统转动转台。通过外部计算机计算工件与转台的坐标，把基坐标表示为转台旋转角度的一个函数，基坐标数据包括三维坐标与欧拉角。把基坐标写入机器人程序源代码，基坐标数据与转台的旋转角度一一对应。本发明同时测定工件与转台坐标，简化了示教测定的步骤。在机器人程序源代码中使基坐标真实反映旋转后的工件的坐标，降低了离线编程的复杂性。

Description

工业机器人系统中可旋转工件的测定方法

技术领域

本发明属于工业机器人控制领域，尤其涉及一种工业机器人系统中可旋转工件的测定方法。

背景技术

工业机器人又称为关节机器人、机械臂，通常有六个旋转关节。工业机器人主要工作步骤包括：(1)使用机器人的示教器，测定工具坐标与基坐标。工具坐标对应于机器人法兰盘上安装的工具，工具坐标描述了工具头(TCP)相对于法兰盘的坐标。基坐标定义了工件相对于机器人世界坐标的位置。(2)对机器人的运行路径进行编程，有两种方式：离线编程或示教编程。离线编程在外部计算机上进行。示教编程在机器人系统上进行。编程的结果均为机器人程序源代码。(3)机器人根据程序源代码进行加工。

工业机器人在工作前需要测定工件的位置，称为基坐标，基坐标数据包括三维坐标(x,y,z)和旋转姿态，旋转姿态通常表示为欧拉角(A,B,C)。

最常见的基坐标测定法为“3点法”，需通过示教器三次移动工具头到工件的特定位置，机器人系统内部将自动计算基坐标的数据。

工业机器人可连接转台(或称变位器)，使转台成为机器人系统的外部轴，可进行外部轴联动加工，通常称为7轴联动。在7轴联动的机器人系统中，机器人程序源代码中的基坐标数据不反映转台旋转的影响，机器人控制系统在内部自动处理转台旋转对工件空间坐标的影响，操作员无法从源代码中获知旋转后的工件的真实坐标。

当工件安装在转台上时，需要分别测定转台与工件。首先，机器人系统需要测定转台，通过机器人系统使转台旋转到三个不同的角度，并分别记录基准点的坐标。然后，基于已经测定的转台再测定转台上的工件。这种测定步骤有两个局限：

其一，测定转台与测定在转台上的工件是两个关联的步骤，操作比较繁琐；

其二，在机器人程序源代码中无法显示转台某一旋转角度下的基坐标数据，该数据隐藏在机器人控制系统中，操作员无法从源代码中获知旋转后的工件的正确坐标，为机器人离线编程带来困难。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种工业机器人系统中可旋转工件的测定方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种工业机器人系统中可旋转工件的测定方法，包括以下步骤：

步骤1：使用机器人系统，在示教器中选择相应坐标系，分别选定并记录工件上5个点的位置，通过5个点示教测定可旋转工件；

步骤2：使用外部计算机，根据步骤1记录的5个点的坐标，计算转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵；

步骤3：根据步骤2所得齐次矩阵转化得到基坐标系，该基坐标系数据为机器人世界坐标系下已旋转角度θ后的工件的坐标；

步骤4：在机器人离线编程过程中，根据转台的旋转角度确定机器人程序源代码中的基坐标系数据，进而确定工件的加工路径代码。

进一步，步骤1所述5点示教测定可旋转工件，方法如下：

1-1，在示教器中选择机器人世界坐标系，该坐标系原点位于机器人基座中央；

1-2，在示教器中选择工具坐标系，与机器人法兰盘上安装的实际工具相对应；

1-3，通过示教器使转台的旋转角度为0；机器人系统的初始状态即为旋转角度为0的状态；

1-4，采用传统3点示教法记录工件上三个点的位置，分别记为P，P_X，P_Xy，将其输入外部计算机；其中，点P为工件的原点；点P_X为工件的x轴正向上的任一点；点P_XY为工件的xy平面上y值为正的一面的任一点；

1-5，通过示教器使转台的旋转角度为90度，将工具头与工件原点对齐，当前的工件原点记为Q_a；在示教器中读取该点的坐标位置，将其输入外部计算机；

1-6，通过示教器使转台的旋转角度为-90度，将工具头与工件原点对齐，当前的工件原点记为Q_b；在示教器中读取该点的坐标位置，将其输入外部计算机；

1-7，根据上述步骤完成5个点的三维坐标记录后，5点示教测定结束。

进一步，步骤2所述计算转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵，方法如下：

转台的坐标原点表示为：

其中，V是一个三维向量，表示坐标原点；

转台角度为0时的转台坐标系对应的矩阵记为H，计算公式为

H＝f(P-V，Q_a-V) (2)

其中，H为3*3正交矩阵，f(*)表示机器人学定义的将x轴向量与xy轴向量转换为3*3正交矩阵的函数；

转台角度为0时的基坐标系对应的矩阵记为G，计算公式为

U＝f(H^T(P_X-P)，H^T(P_XY-P)) (4)

d＝||P-V|| (5)

其中，U为3*3的正交矩阵，U_ij为矩阵U中的元素，i＝1，2，3，j＝1，2，3；矩阵G完整地表达转台角度为0时工件的坐标；

当转台旋转角度θ之后，计算一个4*4的齐次矩阵D：

其中，V₁，V₂，V₃是三维向量V的三个坐标；W是3*3的矩阵，W_ij为矩阵W中的元素，i＝1，2，3，j＝1，2，3；

转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵K为

K＝DG。 (8)

进一步，在步骤3中，根据步骤2所得齐次矩阵转化得到基坐标系，即将齐次矩阵K转化为基坐标系的三维坐标(x，y，z)与欧拉角(A，B，C)；

基坐标系的三维坐标的计算方法为

(x，y，z)＝(K₁₄，K₂₄，K₃₄) (9)

其中，K₁₄，K₂₄，K₃₄为齐次矩阵K的相应元素；

基坐标系的欧拉角的计算方法为：

(A，B，C)＝g(K_sub) (10)

其中，K_sub是齐次矩阵K的子矩阵，由矩阵K左上角的3行3列组成；函数g(*)为机器人学定义的将3*3正交矩阵转换为欧拉角A，B，C的函数。

进一步，步骤4所述确定工件的加工路径代码，具体如下：

4-1，在机器人离线编程过程中，加工路径编程需要使转台旋转一定的角度θ，该角度在整个加工过程中是不断变化的，角度θ作为输入参数；

4-2，根据转台的旋转角度确定基坐标系，将基坐标系的数据写入机器人程序源代码中；

4-3，根据输入的基坐标系数据与工具头运动路径，确定加工路径的源代码。

本发明适用于常用工业机器人系统，不限于某一品牌或型号的工业机器人。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

(1)本发明同时测定工件与转台坐标，简化了测定的步骤与所需时间。

(2)本发明将可旋转工件对应的基坐标系表示为转台旋转角度的一个函数。

(3)本发明在机器人程序源代码中写入基坐标系数据，该基坐标系数据准确地反映了旋转后的工件的坐标。

附图说明

图1是本发明使用的工业机器人系统示意图；

图2是本发明的总体工作流程图；

图3是示教测定工件与计算基坐标的流程图；

图4是本发明使用的硬件示意图；

图5是转台与测定点的示意图；

其中，1：机器人本体，2：机器人控制系统，3：转台(变位器)，4：示教器，5：工件，6：工具头(TCP)；7：外部计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所使用的工业机器人系统如图1所示，包括机器人本体，机器人控制系统，转台(机器人外部轴)，示教器；机器人系统结合外部计算机实现工件测定。本发明方法总体工作流程如图2所示，包括示教测定、离线编程以及加工。

本发明所述的一种工业机器人系统中可旋转工件的测定方法，包括以下步骤：

步骤1：使用机器人系统，在示教器中选择相应坐标系，分别选定并记录工件上5个点的位置，通过5个点示教测定可旋转工件；方法如下：

1-1，在示教器中选择机器人世界坐标系，该坐标系原点一般位于机器人基座中央；

1-2，在示教器中选择工具坐标系，与机器人法兰盘上安装的实际工具相对应；

1-3，通过示教器使转台的旋转角度为0；通常，机器人系统的初始状态即为旋转角度为0的状态；

1-4，采用传统3点示教法记录工件上三个点的位置，分别记为P，P_X，P_Xy，将其输入外部计算机；其中，点P为工件的原点；点P_X为工件的x轴正向上的任一点；点P_XY为工件的xy平面上y值为正的一面的任一点；工具头、工件、示教器、外部计算机如图4所示；

1-5，通过示教器使转台的旋转角度为90度，将工具头与工件原点对齐，当前的工件原点记为Q_a；在示教器中读取该点的坐标位置，将其输入外部计算机；

1-6，通过示教器使转台的旋转角度为-90度，将工具头与工件原点对齐，当前的工件原点记为Q_b；在示教器中读取该点的坐标位置，将其输入外部计算机；

1-7，根据上述步骤完成5个点的三维坐标记录后，5点示教测定结束。所述5个测定点P，P_X，P_XY，Q_a，Q_b以及转台如图5所示。

步骤2：使用外部计算机，根据步骤1记录的5个点的坐标，计算转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵；方法如下：

转台的坐标原点表示为：

其中，V是一个三维向量，表示坐标原点；

转台角度为0时的转台坐标系对应的矩阵记为H，计算公式为

H＝f(P-V，Q_a-V) (2)

其中，H为3*3正交矩阵，f(*)表示机器人学(robotics)定义的将x轴向量与xy轴向量转换为3*3正交矩阵的函数；

转台角度为0时的基坐标系对应的矩阵记为G，计算公式为

U＝f(H^T(P_X-P)，H^T(P_XY-P)) (4)

d＝||P-V|| (5)

其中，U为3*3的正交矩阵，U_ij为矩阵U中的元素，i＝1，2，3，j＝1，2，3；矩阵G完整地表达了转台角度为0时工件的坐标；

当转台旋转角度θ之后，计算一个4*4的齐次矩阵D：

其中，V₁，V₂，V₃是三维向量V的三个坐标；W是3*3的矩阵，W_ij为矩阵W中的元素，i＝1，2，3，j＝1，2，3；

转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵K为

K＝DG。 (8)

步骤3：根据步骤2所得齐次矩阵转化得到基坐标系，该基坐标系数据为机器人世界坐标系下已旋转角度θ后的工件的坐标；将齐次矩阵K转化为基坐标系的三维坐标(x，y，z)与欧拉角(A，B，C)；方法如下：

基坐标系的三维坐标的计算方法为

(x，y，z)＝(K₁₄，K₂₄，K₃₄) (9)

其中，K₁₄，K₂₄，K₃₄为齐次矩阵K的相应元素；

基坐标系的欧拉角的计算方法为：

(A，B，C)＝g(K_sub) (10)

其中，K_sub是齐次矩阵K的子矩阵，由矩阵K左上角的3行3列组成；函数g(*)为机器人学(robotics)定义的将3*3正交矩阵转换为欧拉角A，B，C的函数。

步骤4：在机器人离线编程过程中，根据转台的旋转角度确定机器人程序源代码中的基坐标系数据，进而确定工件的加工路径代码；具体如下：

4-1，在机器人离线编程过程中，加工路径编程需要使转台旋转一定的角度θ，该角度在整个加工过程中是不断变化的，角度θ作为本发明方法的输入参数；

4-2，根据转台的旋转角度确定基坐标系，将基坐标系的数据写入机器人程序源代码中；

4-3，根据输入的基坐标系数据与工具头运动路径，确定加工路径的源代码。

本实施例选用KUKA机器人作进一步说明，将转台作为机器人的第二外部轴(在程序源代码中用符号E2表示)。在KUKA机器人程序源代码中，命令转台多次旋转，多次指定对应的基坐标系的数据。程序源代码如下：

$TOOL＝TOOL_DATA[3]

$BASE＝{X 425.5，Y -1424.4，Z 763.4，A -28.2，B -0.9，C -0.2}

PTP{X 27.3，Y 84.2，Z 20，A 201.5，B 0，C -90，E1 0，E2 -162}

$BASE＝{X 429.8，Y -1426.1，Z 763.5，A 7.8，B -0.5，C -0.5}

PTP{X 71.6，Y 52，Z 20，A 165.5，B 0，C -90，E1 0，E2 -126}

$BASE＝{X 434.2，Y -1424.9，Z 763.5，A 43.8，B -0，C -0.5}

PTP{X 88.5，Y -0，Z 20，A 129.5，B 0，C -90，E1 0，E2 -90}

其中，$BASE表示机器人当前所采用的基坐标系，PTP表示点到点(Point-To-Point)的运动，E1表示机器人的第一外部轴，E2表示机器人的第二外部轴即转台，(X，Y，Z)表示工件在基坐标系中的三维坐标，(A，B，C)表示工件在基坐标系中的欧拉角。

代码第1行指定机器人采用的工具坐标系，对应于机器人法兰盘上安装的工具；

代码第2行指定机器人的基坐标系，该数据由本发明方法计算，旋转角度为-162度；

代码第3行是机器人运动命令，其中E2-162表示将转台旋转到-162度；

代码第4行指定机器人的基坐标系，该数据由本发明方法计算，旋转角度为-126度；

代码第5行是机器人运动命令，其中E2-126表示将转台旋转到-126度；

代码第6行指定机器人的基坐标系，该数据由本发明方法计算，旋转角度为-90度；

代码第7行是机器人运动命令，其中E2-90表示将转台旋转到-90度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上述实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种工业机器人系统中可旋转工件的测定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：使用机器人系统，在示教器中选择相应坐标系，分别选定并记录工件上5个点的位置，通过5点示教测定可旋转工件；

步骤2：使用外部计算机，根据步骤1记录的5个点的位置，计算转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵；

步骤3：根据步骤2所得齐次矩阵转化得到基坐标系，该基坐标系的数据为机器人世界坐标系下已旋转角度θ后的工件的坐标；

步骤4：在机器人离线编程过程中，根据转台的旋转角度确定机器人程序源代码中的基坐标系数据，进而确定工件的加工路径的源代码；

步骤1所述5点示教测定可旋转工件，方法如下：

1-1，在示教器中选择机器人世界坐标系，该坐标系原点位于机器人基座中央；

1-2，在示教器中选择工具坐标系，与机器人法兰盘上安装的工具相对应；

1-3，通过示教器使转台的旋转角度为0；机器人系统的初始状态即为旋转角度为0的状态；

1-4，采用3点示教法记录工件上三个点的位置，分别记为P，P_X，P_XY，将其输入外部计算机；其中，点P为工件原点；点P_X为工件的x轴正向上的任一点；点P_XY为工件的xy平面上y值为正的一面的任一点；

1-5，通过示教器使转台的旋转角度为90度，将工具头与工件原点对齐，当前的工件原点记为Q_a；在示教器中读取该点的坐标位置，将其输入外部计算机；

1-6，通过示教器使转台的旋转角度为-90度，将工具头与工件原点对齐，当前的工件原点记为Q_b；在示教器中读取该点的坐标位置，将其输入外部计算机；

1-7，根据上述步骤完成5个点的三维坐标记录后，5点示教测定结束；

步骤2所述计算转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵，方法如下：

转台的坐标原点表示为：

其中，V是一个三维向量，表示坐标原点；

转台的旋转角度为0时的转台坐标系对应的矩阵记为H，计算公式为

H＝f(P-V，Q_a-V) (2)

其中，H为3*3正交矩阵，f(*)表示机器人学定义的将x轴向量与xy轴向量转换为3*3正交矩阵的函数；

转台的旋转角度为0时的基坐标系对应的矩阵记为G，计算公式为

U＝f(H^T(P_X-P)，H^T(P_XY-P)) (4)

d＝||P-V|| (5)

其中，U为3*3的正交矩阵，U_ij为矩阵U中的元素，i＝1，2，3，j＝1，2，3；矩阵G表达转台的旋转角度为0时工件的坐标；

当转台旋转角度θ之后，计算一个4*4的齐次矩阵D：

其中，V₁，V₂，V₃是三维向量V的三个坐标；W是3*3的矩阵，W_ij为矩阵W中的元素，i＝1，2，3，j＝1，2，3；

转台旋转角度θ时的基坐标系对应的齐次矩阵K为

K＝DG (8)

在步骤3中，根据步骤2所得齐次矩阵转化得到基坐标系，即将齐次矩阵K转化为基坐标系的三维坐标(x，y，z)与欧拉角(A，B，C)；

基坐标系的三维坐标的计算方法为

(x，y，z)＝(K₁₄，K₂₄，K₃₄) (9)

其中，K₁₄，K₂₄，K₃₄为齐次矩阵K的相应元素；

基坐标系的欧拉角的计算方法为：

(A，B，C)＝g(K_sub) (10)

其中，K_sub是齐次矩阵K的子矩阵，由矩阵K左上角的3行3列组成；函数g(*)为机器人学定义的将3*3正交矩阵转换为欧拉角A，B，C的函数。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人系统中可旋转工件的测定方法，其特征在于：步骤4所述确定工件的加工路径的源代码，具体如下：

4-1，在机器人离线编程过程中，加工路径编程需要使转台旋转，旋转角度在整个加工过程中是不断变化的，旋转角度θ作为输入参数；

4-2，根据转台的旋转角度确定基坐标系，将基坐标系的数据写入机器人程序源代码中；

4-3，根据输入的基坐标系的数据与工具头运动路径，确定工件的加工路径的源代码。

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