CN111002306B - 一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法及控制系统 - Google Patents

一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法及控制系统：获取所述机器人运动机构的数据，通过对所述数据的运动学分析，推导出所述末端的正解算法和逆解算法；获取实时关节坐标数据，以所述正解算法计算所述末端的实时笛卡尔坐标；基于笛卡尔坐标系作出空间轨迹规划，得到空间轨迹点集合；以所述逆解算法算出与所述空间轨迹点集合对应的关节坐标系数据集合；通过所述点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮的主从轴关系，建立电子凸轮曲线；基于所述电子凸轮曲线控制所述末端的空间轨迹；按照所述空间轨迹控制所述关节的关节轴进行运动。将机器人非线性运动控制转化成线性，使空间轨迹点之间平滑连接，提高设备运行平滑度和稳定性。

Description

一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及机器人控制相关技术领域，尤其涉及一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法及控制系统。
技术背景
轨迹规划指机器人的机械臂末端行走曲线轨迹，机械臂末端在运动过程中的位移、速度和加速度的曲线轮廓。轨迹规划的好坏直接影响机器人的工作效率和运动平稳性。
机器人对工件进行焊接、切割或打磨等作业时，要求机器人末端严格按照规划的空间轨迹进行运动，目前在机器人运动控制中，根据给定的曲线函数，在规划的空间轨迹上的已知点基础上进行插补，以确定中间点，进行数据点密化，目前现有的机器人能够进行简单的空间轨迹控制，如直线、圆弧等，对于复杂的多轴控制任务，需要使用进口的控制器，进口控制器有较高的技术壁垒，系统开放性差、拓展功能和开发空间有限，成本高。
电子凸轮技术广泛应用于工业机械领域，电子凸轮可用于控制器控制伺服驱动器。
发明内容
为解决上述技术问题，提供一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法及控制系统，以电子凸轮虚拟轴控制关节轴进行运动。
一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法，所述机器人包括运动机构，所述运动机构包括末端和与所述末端连接的关节，所述方法包括：
获取所述机器人运动机构的数据，通过对所述数据的运动学分析，推导出所述末端的正解算法和逆解算法；
获取实时关节坐标数据，以所述正解算法计算所述末端的实时笛卡尔坐标；
基于笛卡尔坐标系作出空间轨迹规划，得到空间轨迹点集合；
以所述逆解算法算出与所述空间轨迹点集合对应的关节坐标系数据集合；
通过所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮的主从轴关系，建立电子凸轮曲线；
基于所述电子凸轮曲线控制所述末端的空间轨迹；
按照所述空间轨迹控制所述关节的关节轴进行运动。
优选的，所述电子凸轮曲线根据所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合通过样条拟合的方法获得。
优选的，所述按照所述空间轨迹控制所述关节的关节轴进行运动，包括：所述主轴运行到所述空间轨迹一点时，所述从轴依据所述电子凸轮曲线的坐标关系跟随所述主轴运行到该点位置。
优选的，单个时间片单元内，机器人依次完成一个所述空间轨迹的目标点位置定位，所述运行轨迹为该时间片单元内的空间运动轨迹。
优选的，所述主轴包括虚拟轴，所述从轴包括关节轴，通过所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮以虚拟轴为主轴，以关节轴为从轴，建立电子凸轮曲线。
优选的，所述笛卡尔坐标系空间轨迹规划的方法包括直线插值法或圆弧插值法。
一种基于电子凸轮的机器人运动控制系统，包括控制器、伺服驱动器、伺服电机和运动机构，所述运动机构包括直线模组、大臂、小臂、末端和关节轴，所述关节轴包括直线关节轴、肩关节轴、肘关节轴，
所述直线模组设有纵向运动的直线关节轴，所述直线模组和大臂通过水平旋转的肩关节轴连接，所述大臂和小臂通过水平旋转的肘关节轴连接，所述末端设置在所述小臂的外端，
所述控制器与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器与伺服电机连接，所述伺服电机的输出端与所述运动机构的关节轴连接，所述伺服电机与编码器连接，所述编码器与所述伺服驱动器连接。
优选的，所述末端包括末端回旋装置，所述末端回旋装置设有腕关节轴。
优选的，所述控制器与伺服驱动器通过EtherCAT协议进行连接。
优选的，所述控制器包括PC机。
与现有技术相比本发明的有益效果为：1.本发明基于电子凸轮将机器人非线性运动控制转化成线性运动控制，电子凸轮曲线使空间轨迹点之间平滑连接，从而提高设备运行平滑度，提高设备稳定性；2.使用普通PC机作为控制来完成多轴复杂运动控制任务,降低控制系统的开发难度，降低设备采购和制造成本，提高控制器的兼容性和扩展性。
附图说明
图1是本发明提供的基于电子凸轮的机器人运动控制方法的流程图；
图2是本发明提供的基于电子凸轮的机器人运动控制系统的逻辑框图；
图3是运动机构结构示意图；
图4是空间轨迹插值点集合与Y关节轴的关系曲线图；
图5是虚拟轴与X关节轴的关系曲线图；
图6是虚拟轴与Y关节轴的关系曲线图；
图7是虚拟轴与Z关节轴的关系曲线图；
图8是虚拟轴与A关节轴的关系曲线图。
具体实施例
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中符号注解：
Z轴：直线关节轴 X轴：肩关节轴
Y轴：肘关节轴 A轴：腕关节轴。
本发明一方面提供一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法，所述机器人包括运动机构，所述运动机构包括末端和与所述末端连接的关节，如图1所示，所述方法包括：
步骤101：获取所述机器人运动机构的数据，通过对所述数据的运动学分析，推导出所述末端的正解算法和逆解算法；
步骤102：获取实时关节坐标数据，以所述正解算法计算所述末端的实时笛卡尔坐标；
步骤103：基于笛卡尔坐标系作出空间轨迹规划，得到空间轨迹点集合；
步骤104：以所述逆解算法算出与所述空间轨迹点集合对应的关节坐标系数据集合；
步骤105：通过所述点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮的主从轴关系，建立电子凸轮曲线；
步骤106：基于所述电子凸轮曲线控制所述末端的空间轨迹；
步骤107：按照所述空间轨迹控制所述关节的关节轴进行运动。从而通过电子凸轮曲线的虚拟轴控制物理关节轴。物理关节轴在运动中呈非线性，电子凸轮曲线将非线性的物理关节转化成线性进行控制，一方面降低控制系统的开发难度，另一方面电子凸轮曲线使空间轨迹点之间平滑连接，从而提高设备运行平滑度，提高设备稳定性。
步骤105所述的电子凸轮曲线根据所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合通过样条拟合的方法获得。通过所述样条拟合的方法构造拟合的电子凸轮曲线，所述电子凸轮曲线逼近这些集合，从而将非线性的控制任务转换成线性的控制任务。
步骤107所述按照所述空间轨迹控制所述关节的关节轴进行运动，其过程包括：所述主轴运行到所述空间轨迹一点时，所述从轴依据所述电子凸轮曲线的坐标关系跟随所述主轴运行到该点位置。所述从轴随主轴一起运行，便于实时空间轨迹规划和控制。
单个时间片单元内，机器人依次完成一个所述空间轨迹的目标点位置定位，运行轨迹为该时间片单元内的空间运动轨迹。所述时间片指控制器的一个扫描周期。
所述主轴包括虚拟轴，所述从轴包括关节轴，通过所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮以虚拟轴为主轴，以关节轴为从轴，建立电子凸轮曲线。
所述笛卡尔坐标系空间轨迹规划的方法可以包括直线插值法或圆弧插值法，通过插值法得到空间轨迹的插值点集合。笛卡尔坐标系的轨迹规划在概念上直观，而且规划路径准确，可以清晰地观测到末端的运动轨迹。
图4为空间轨迹插值点集合与Y关节轴的关系曲线图，横坐标为所述末端在笛卡尔坐标下的X轴坐标，单位毫米，末端在笛卡尔坐标Y轴和Z轴上的坐标值为定值，横坐标可以用于表示所述末端空间轨迹的长度；纵坐标为Y关节轴坐标，单位度，表示所述末端沿平行于笛卡尔坐标X轴平行方向移动时在关节坐标系下的肘关节轴坐标，该关系曲线利用空间轨迹点集合和Y关节轴坐标数据通过样条拟合的方法获得。
本发明另一方面提供一种采用上述基于电子凸轮的机器人运动控制方法的控制系统，如图2和图3所示，所述控制系统包括控制器1、伺服驱动器2、伺服电机3和运动机构4，所述运动机构4包括直线模组41、大臂42、小臂43、末端44和关节轴，所述关节轴包括直线关节轴411、肩关节轴、肘关节轴431，所述直线模组41设有纵向运动的直线关节轴411，所述直线模组41和大臂42通过水平旋转的肩关节轴连接，所述大臂42和小臂43通过水平旋转的肘关节轴431连接，所述末端44设置在所述小臂43的外端，所述控制器1与伺服驱动器2连接，所述伺服驱动器2与伺服电机3连接，所述伺服电机3的输出端与所述运动机构4的关节轴连接，所述伺服电机3通过驱动关节轴运动改变所述关节的坐标，所述伺服电机3与编码器31连接，所述编码器31与所述伺服驱动器2连接。所述伺服驱动器2通过编码器31获得运动机构4的数据、并传送给所述控制器1；所述控制器1根据所获得的数据，推导出所述运动机构4末端44的正、逆解算法；所述控制器1通过伺服驱动器2和编码器31获得各关节轴坐标数据，以所述正解算法计算所述末端44的实时笛卡尔坐标；所述控制器1基于笛卡尔坐标系作出空间轨迹规划，得到空间轨迹点集合；所述控制器1以所述逆解算法算出与所述空间轨迹点集合对应的关节轴坐标系数据集合；所述控制器1通过所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮的主从轴关系，建立电子凸轮曲线；所述控制器1根据所述电子凸轮曲线和主从轴关系控制所述末端44的空间轨迹和各关节轴的坐标，并向伺服驱动器2发送坐标数据；所述伺服驱动器2通过控制伺服电机3控制各关节轴运动。
在一个具体实施例中，所述末端44包括末端回旋装置，所述末端回旋转装置设有腕关节轴441，所述末端回旋装置安装夹具或工具后，用于打磨铸件。所述大臂42可以采用弧形弯臂。
所述控制器1与伺服驱动器2可以通过EtherCAT协议进行连接，EtherCAT协议（以太网控制自动化协议）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统。
所述控制器1可以采用PC机，使用基于电子凸轮的机器人控制方法，可以使用普通PC机作为控制器来完成多轴复杂控制任务，以降低系统开发难度和设备采购成本。
图5为虚拟轴与X关节轴的关系曲线图，横坐标为虚拟轴坐标，单位毫米，纵坐标为X关节轴坐标，单位度。图6为虚拟轴与Y关节轴的关系曲线图，横坐标为虚拟轴坐标，单位毫米，纵坐标为Y关节轴坐标，单位度。图7为虚拟轴与Z关节轴的关系曲线图，横坐标为虚拟轴坐标，单位毫米，纵坐标为Z关节轴坐标，单位度。图8为虚拟轴与A关节轴的关系曲线图，横坐标为虚拟轴坐标，单位毫米，纵坐标为A关节轴坐标，单位度。图5到图8反应了机器人完成控制任务时虚拟轴与机器人各关节轴位置关系。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电子凸轮的机器人运动控制方法，其特征在于，所述机器人包括运动机构，所述运动机构包括末端和与所述末端连接的关节，所述方法包括：
获取所述机器人运动机构的数据，通过对所述数据的运动学分析，推导出所述末端的正解算法和逆解算法；
获取实时关节坐标数据，以所述正解算法计算所述末端的实时笛卡尔坐标；
基于笛卡尔坐标系作出空间轨迹规划，得到空间轨迹点集合；
以所述逆解算法算出与所述空间轨迹点集合对应的关节坐标系数据集合；
通过所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮的主从轴关系，建立电子凸轮曲线；
基于所述电子凸轮曲线控制所述末端的空间轨迹；
按照所述空间轨迹控制所述关节的关节轴进行运动。
2.根据权利要求1所述的基于电子凸轮的机器人运动控制方法，其特征在于，所述电子凸轮曲线根据所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合通过样条拟合的方法获得。
3.根据权利要求1所述的基于电子凸轮的机器人运动控制方法，其特征在于，所述按照所述空间轨迹控制所述关节的关节轴进行运动，包括：
所述主轴运行到所述空间轨迹一点时，所述从轴依据所述电子凸轮曲线的坐标关系跟随所述主轴运行到该点位置。
4.根据权利要求3所述的基于电子凸轮的机器人运动控制方法，其特征在于，单个时间片单元内，机器人依次完成一个所述空间轨迹的目标点位置定位。
5.根据权利要求1所述的基于电子凸轮的机器人运动控制方法，其特征在于，所述主轴包括虚拟轴，所述从轴包括关节轴，
通过所述空间轨迹点集合和所述关节坐标系数据集合确定电子凸轮以虚拟轴为主轴，以关节轴为从轴，建立电子凸轮曲线。
6.根据权利要求1所述的基于电子凸轮的机器人运动控制方法，其特征在于，所述笛卡尔坐标系空间轨迹规划的方法包括直线插值法或圆弧插值法。
7.一种采用1~6任一项所述的基于电子凸轮的机器人运动控制方法的控制系统，其特征在于，包括控制器、伺服驱动器、伺服电机和运动机构，所述运动机构包括直线模组、大臂、小臂、末端和关节轴，所述关节轴包括直线关节轴、肩关节轴、肘关节轴，
所述直线模组设有纵向运动的直线关节轴，所述直线模组和大臂通过水平旋转的肩关节轴连接，所述大臂和小臂通过水平旋转的肘关节轴连接，所述末端设置在所述小臂的外端，
所述控制器与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器与伺服电机连接，所述伺服电机的输出端与所述运动机构的关节轴连接，所述伺服电机与编码器连接，所述编码器与所述伺服驱动器连接。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述末端包括末端回旋装置，所述末端回旋装置设有腕关节轴。
9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制器与伺服驱动器通过EtherCAT协议进行连接。
10.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制器包括PC机。
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