CN110842931B - 一种应用于机器人打孔的工具姿态调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于机器人木工打孔的工具姿态调整方法，通过坐标系转换,得到垂直于打孔平面的姿态,进而得到调整后的打孔初始位姿，该方法高效简单，且无需附加装置。该方法无需考虑打孔初始点的姿态，仅需在小范围内额外示教两个点，即可通过坐标系转换，计算出打孔初始位姿，确保工具末端垂直于打孔平面，进而保证了最终的孔不会呈现为椭圆，同时，由于初始的示教不需要考虑姿态，使得编程变得更加高效、简单。

Description

一种应用于机器人打孔的工具姿态调整方法

技术领域

本发明涉及一种机器人工具姿态调整方法，具体说是一种应用于机器人打孔的工具姿态调整方法。

背景技术

木工打孔是机器人的一个常见应用领域，典型的木工打孔行业应用环境如附图1所示，主要包括：机器人、打孔设备、工装台以及木板。主要流程为：将需要打孔的木板放置在工装台上夹紧固定，确定待打孔点的初始位姿(位置和姿态)，并设定进刀距离与退刀距离，根据初始位姿和进退刀距离计算出进刀的目标位姿与退刀的目标位姿。机器人在打孔等待点执行关节运动至初始位姿，然后沿着工具的方向(即工具坐标系的T_z方向)依次执行直线运动至进刀的目标位姿与退刀的目标位姿，以实现打孔动作。

对打孔点的初始位姿的确定，一般采用示教的方法，即首先移动机器人至待打孔点，然后调整机器人姿态，使得工具(如打孔钻头)的末端垂直于木板平面，但这种示教的方法很难保证机器人的工具姿态垂直于木板平面，尤其当木板是异形板时，例如曲面板，以至于最终打出的孔为椭圆形状，想通过单纯的肉眼观察调整机器人的工具姿态，不仅效率低，而且很难保证机器人工具末端垂直于待打孔点所在切平面，使得机器人的打孔效果不理想。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种应用于机器人打孔的工具姿态调整方法，是一种较为简单的工具姿态调整方法，目的是使机器人能够快速且精确地调整工具姿态，使其垂直于打孔初始点所在的切平面，以保证最终的打孔效果，同时简化示教的过程，提高打孔工作效率。只需要在打孔点的极小范围内以任意姿态额外示教两个点，然后通过姿态调整方法调整打孔点的初始姿态，使得初始点的工具姿态准确地垂直于打孔点所在的切平面，然后在此基础上沿着工具的T_z方向依次进行直线运动至进刀的目标位姿与退刀的目标位姿，完成打孔动作,便可保证最终的打孔效果为圆形。该方法使得示教打孔初始位姿变得更加高效，同时保证了最终打孔效果。

本发明一种应用于机器人打孔的工具姿态调整方法，其步骤如下：

步骤1.确定待打孔点所在的切平面

步骤1.1移动机器人打孔工具至待打孔点，只需保证打孔工具位置到达待打孔点即可，姿态任意，记为O点,O＝(x_o,y_o,z_o,a,b,c)；其中，x_o,y_o,z_o为O点相对于世界坐标系下的位置，a,b,c为O点在世界坐标系下的姿态。

步骤1.2在O点周围的极小范围内移动机器人打孔工具位置，并记录两个点A和B的位置参数，需保证三点不共线即可；

步骤1.3根据O、A、B三点的位置，在切平面内建立用户坐标系，用户坐标系各轴分量分别记

由此坐标系和O点可以确定出切平面相对于机器人世界坐标系的转换矩阵，记为^wT_u。

步骤2.确定打孔初始点工具坐标系相对于用户坐标系的描述矩阵^uT_tool

1)步骤2.1根据O点位姿，可得打孔初始点的工具坐标系相对于世界坐标系的描述矩阵^wT_tool；

2)步骤2.2由齐次变换关系可得当前工具坐标系相对于用户坐标系的描述矩阵^uT_tool，各轴分量分别记为

步骤3调整打孔初始点工具姿态，使得工具垂直于打孔点所在切平面OAB：

要使得工具垂直于打孔点所在切平面OAB，只要调整姿态使得工具坐标系的

平行于

即可，具体步骤如下：

1)步骤3.1确定

调整后的方向向量

采用就近原则，计算

和

的夹角θ，若小于90°，则与

正方向同向,为方便计算，取

反之,则与

正方向反向，取

2)步骤3.2确定调整规则：

记

与

叉乘得到向量

即为旋转轴；将工具坐标系的各轴分量

绕着向量

旋转θ度，得到新的向量

和

即为最终调整后的工具，此时便保证

平行于

3)步骤3.3调整后工具坐标系相对于用户坐标系的描述矩阵记为^uT_tool′。

步骤4计算微调后的工具位姿

1)步骤4.1计算微调后工具坐标系相对于世界坐标系的描述矩阵^wT_tool′；

2)步骤4.2由工具坐标系相对于世界坐标系的描述矩阵^wT_tool′可以得到微调后的打孔初始目标位置的姿态a′，b′和c′，进而得到微调后的打孔初始位姿O′＝(x_o,y_o,z_o,a′,b′,c′)。

机器人在当前示教的待打孔点O点直线运动到O′点，即完成工具姿态的微调，保证打孔初始姿态与打孔平面垂直，再进行后续进刀退刀的打孔动作，便可保证最终打出的孔成圆形，满足工艺需求。

本发明提出一种应用于机器人打孔的工具姿态调整方法，仅需示教打孔初始位置与该平面上的两个点，无需附加任何姿态调整装置，即可完成对打孔初始姿态的调整，保证打孔初始姿态完全垂直于打孔初始目标点所在的平面，保证最终的打孔效果。且本发明的应用能够降低打孔点的示教难度，仅需位置在需要打孔的地方即可，不需保证示教时待打孔点的初始工具姿态，使得示教编程变得简单，提高工作效率，同时还优化了打孔效果。

本发明在机器人打孔示教编程时，无需考虑打孔初始目标点的工具姿态，只需要确定位置即可，使得示教编程变得更加简单、高效。

无论是平面木板还是曲面木板，都可以通过该方法实现对工具姿态的调整，保证工具末端垂直于打孔初始目标点所在切平面，保证最终效果不会为椭圆，方法简单高效，无需任何附加装置。

附图说明

图1是机器人木工打孔设备位置关系示意图。其中：1是机器人，2是打孔工具(钻头)，3是模板，4是夹紧装置，5是工装台。

图2是向量示意图。

图3是机器人木工打孔的工具姿态调整流程图。

图4是默认工具姿态。

图5是打孔初始位姿。

图6是调整后打孔位姿。

图7是TcpOriPos曲线。

图8是TcpOriVel曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明以机器人为实验对象，对本发明提出的工具姿态对正方法进行验证。具体的工具对正流程如下：

1.示教打孔初始点O＝(900,0,1213,59.058,156.708,-1020.215)，以及两个附加点

A＝(913.19,0,1213,59.058,156.708,-1020.215)，

B＝(913.19,-45.512,1213,59.058,156.708,-1020.215)，

由步骤1.3得到

2.由O点位姿可得

进而得到

其中，

3.由步骤3.1计算得T_zu和

的夹角θ＝23.2996°，所以

4.由步骤3.2计算得

进而得到

5.由工具相对于世界坐标系的描述矩阵^wT_tool′可得调整后的打孔初始点的姿态a′＝161.27，b′＝180，c′＝0，最终得调整后的打孔位姿为O′＝(900,0,1213,161.272,180,0)。

图4为默认工具姿态，5轴正方向转动90度，此时TZ朝下。图5为打孔初始的位姿，图6为调整后的位姿；图7为TCP姿态的位置曲线，图8为TCP姿态的速度曲线。

Claims (1)

1.一种应用于机器人打孔的工具姿态调整方法，其步骤如下：

步骤1.确定待打孔点所在的切平面

步骤1.1移动机器人打孔工具至待打孔点，只需保证打孔工具位置到达待打孔点即可，工具姿态任意，记为O点,O＝(x_o,y_o,z_o,a,b,c)；其中，x_o,y_o,z_o为O点相对于世界坐标系下的位置，a,b,c为O点在世界坐标系下的姿态；

步骤1.2在O点周围移动机器人打孔工具位置，并记录两个点A和B的位置参数，O点、A点和B点三点不共线；

步骤1.3根据O、A、B三点的位置，在切平面内建立用户坐标系，用户坐标系各轴分量分别记

由用户坐标系和O点确定出切平面相对于机器人世界坐标系的转换矩阵，记为^wT_u；

步骤2.确定打孔初始点工具坐标系相对于用户坐标系的描述矩阵^uT_tool

步骤2.1根据O点位姿，得到打孔初始点的工具坐标系相对于世界坐标系的描述矩阵^wT_tool；

步骤2.2由齐次变换关系可得当前工具坐标系相对于用户坐标系的描述矩阵^uT_tool，各轴分量分别记为

步骤3调整打孔初始点工具姿态，使得工具垂直于打孔点所在切平面OAB

步骤3.1确定

调整后的方向向量

采用就近原则，计算

和

的夹角θ，若小于90°，则与

正方向同向,为方便计算，取

反之,则与

正方向反向，取

步骤3.2确定调整规则：记

与

叉乘得到向量

即为旋转轴；将工具坐标系的各轴分量

绕着向量

旋转θ度，得到新的向量

和

即为最终调整后的工具位姿，此时便保证

平行于

步骤3.3调整后工具坐标系相对于用户坐标系的描述矩阵记为^uT_tool′；

步骤4计算微调后的工具位姿

步骤4.1计算微调后工具坐标系相对于世界坐标系的描述矩阵^wT_tool′；

步骤4.2由工具坐标系相对于世界坐标系的描述矩阵^wT_tool′得到微调后的打孔初始目标位置的姿态a′，b′和c′，进而得到微调后的打孔初始位姿O′＝(x_o,y_o,z_o,a′,b′,c′)。

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