CN113894795B - 一种工业机器人外部轴位置优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工业机器人技术领域，特别涉及一种设置导轨式工业机器人的方法。一种工业机器人外部轴位置优化方法，其技术方案是：利用机器人逆运动学算法，计算每条路径两端点可达范围交集的中点，作为外部轴位置的初值，检验当前外部轴位置是否满足机器人对整条路径点均可达的要求，若存在不可达则遍历搜索最优位置。本方法通过确定合理的外部轴位置初值，能够快速搜索到机器人外部轴的全局最优位置，有效地防止机器人出现卡死、奇异等状况，从而提高工作效率。

Description

一种工业机器人外部轴位置优化方法
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，特别涉及一种设置导轨式工业机器人的方法。
背景技术
使用设置在导轨上的工业机器人进行喷涂等作业时，按机器人底座在导轨上是否发生移动，可将机器人的工作状态分为固定外部轴和外部轴随动两种。如果目标路径长度不大于机器人末端运动长度限值，将机器人底座固定在导轨某一位置即可完成该目标路径的喷涂作业，则采用固定外部轴工作状态；反之，如果将机器人底座固定，则无法完成该目标路径的喷涂作业，而需要采用外部轴随动工作状态。为了防止机器人外部轴与目标点距离过近而导致关节角到达极限、碰撞或奇异等情况，工业机器人作业过程中，外部轴位置应尽量保持在目标点的一侧(左侧或右侧)。
导轨式工业机器人的外部轴位置优化是防止机器人卡死和提高工作效率的一种重要手段。由于导轨与喷涂目标的位置是固定的，机器人末端要经过的路径是规划好的，机器人各关节角的转动范围是既定的，因此外部轴位置选择是否合理将决定机器人能否顺畅的完成整个工作轨迹。当外部轴位置选择不合理时，机器人就会出现超出关节角范围而卡死、奇异等状况，或者工作效率不高。
发明内容
本发明的目的是：提供一种确定合理的外部轴位置初值，快速搜索到机器人外部轴的全局最优位置，有效地防止机器人出现卡死、奇异等状况，并提高工作效率的方法。
本发明的技术方案是：一种工业机器人外部轴位置优化方法，包括以下步骤：
A.如果目标路径长度不大于机器人末端运动长度限值，则进行B步骤；否则，转到C步骤；
B.确定固定的外部轴位置；
B1.沿导轨建立X轴坐标系，其原点在该导轨最左端；将目标路径左端点的坐标值记为minXPnt，目标路径右端点的坐标值记为maxXPnt；
B2.分别计算机器人对目标路径左、右两端点满足可达性时外部轴位置的范围：
B2.1设机器人底座移动距离为mLen，将minXPnt左侧距离mLen的位置作为初始外部轴位置；
B2.2判定机器人对目标路径左端点的可达性；若可达，则此处为机器人对目标路径左端点可达范围的右边界，记为LR；若不可达，则将机器人底座沿导轨左移mLen，重复B2.2步骤，直到判定出可达范围的右边界，然后转至B2.3步骤；若直到移动到导轨最左端都不可达，则将B2.1步骤中所述的初始外部轴位置设为初值，转至B4步骤；
B2.3机器人底座继续间隔mLen左移，判定对目标路径左端点的可达性，直到判定出不可达的外部轴位置为止，将最左侧的可达位置记作机器人对目标路径左端点的可达范围的左边界，记为LL，若机器人移动到导轨最左端依旧对目标路径点满足可达性，则将导轨最左端位置记为LL；
B2.4从minXPnt左侧距离mLen的位置开始，判定机器人对目标路径右端点的可达性范围，将其右边界记为RR，左边界记为RL；
B3.若机器人对目标路径左、右两端点可达范围存在交集，取交集的中心点RL+(LR-RL)/2作为外部轴位置的初值，转至B4步骤；若没有交集，将目标路径右端点可达范围的中心点RL+(RR-RL)/2设为外部轴位置的初值，转至B4步骤；
B4.优化外部轴位置：
B4.1判定机器人位于外部轴初值位置处对目标路径中所有路径点的可达性；
B4.2若均可达，则此位置即为优化后的外部轴位置，转至D步骤；若存在不可达的情况，则外部轴位置左移mLen/n，其中：n为大于1的整数，判定机器人位于新的导轨位置处对目标路径中所有路径点的可达性，若超出导轨左侧极限位置，则从外部轴初值位置向右间隔mLen/n计算，直到找到某外部轴位置使得机器人对目标路径中所有路径点均可达，则此位置即为优化后的外部轴位置，转至D步骤；若超出导轨右侧极限位置依旧不可达，则说明该路径线无法在外部轴位置固定的情况下完成作业，需改为随动工作状态，继续进行C步骤；
C.外部轴位置随动；
C.1确定外部轴初始位置：利用机器人逆运动学算法计算机器人对目标路径左端点的可达范围的中心点，作为外部轴初始位置，若任意外部轴位置都无法满足机器人对目标路径左端点的可达性，则判定机器人对该目标路径不可达，转至D步骤；
C.2随动：根据两个相邻路径点在X轴方向上的坐标值增幅，实时移动机器人的外部轴位置，完成对目标路径的作业；
D.结束优化过程。
在上述方案的基础上，进一步的，所述可达性的判定方法为：利用机器人逆运动学算法，计算机器人在导轨上不同位置对目标路径点的可达性，将目标路径点的位姿矩阵作为逆运动学算法的输入变量，若输出的各关节角度值满足机器人对应关节角的角度可达范围，则机器人在该导轨位置对该目标路径点可达，即机器人外部轴位置满足对目标路径点可达性。
有益效果：利用本发明所述方法，计算每条路径两端点可达范围交集的中点作为外部轴位置的初值，检验当前外部轴位置是否满足机器人对整条路径点均可达的要求，若存在不可达则遍历搜索最优位置的工业机器人外部轴位置优化方法，确定合理的外部轴位置初值能够快速搜索到机器人外部轴的全局最优位置，有效地防止机器人出现卡死、奇异等状况，提高机器人工作效率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2、图3为本发明B2、B3步骤示意图。
具体实施方式
参见附图1，一种工业机器人外部轴位置优化方法，包括以下步骤：
A.如果目标路径长度不大于机器人末端运动长度限值，则进行B步骤；否则，转到C步骤；
B.确定固定的外部轴位置；
B1.沿导轨建立X轴坐标系，其原点在该导轨最左端；将目标路径左端点的坐标值记为minXPnt，目标路径右端点的坐标值记为maxXPnt；
参见附图2，B2.分别计算机器人对目标路径左、右两端点满足可达性时外部轴位置的范围：
B2.1设机器人底座移动距离为mLen，将minXPnt左侧距离mLen的位置作为初始外部轴位置；
B2.2判定机器人对目标路径左端点的可达性；若可达，则此处为机器人对目标路径左端点可达范围的右边界，记为LR；若不可达，则将机器人底座沿导轨左移mLen，重复B2.2步骤，直到判定出可达范围的右边界，然后转至B2.3步骤；若直到移动到导轨最左端都不可达，则将B2.1步骤中所述的初始外部轴位置设为初值，转至B4步骤；
B2.3机器人底座继续间隔mLen左移，判定对目标路径左端点的可达性，直到判定出不可达的外部轴位置为止，将最左侧的可达位置记作机器人对目标路径左端点的可达范围的左边界，记为LL，若机器人移动到导轨最左端依旧对目标路径点满足可达性，则将导轨最左端位置记为LL；
B2.4从minXPnt左侧距离mLen的位置开始，判定机器人对目标路径右端点的可达性范围，将其右边界记为RR，左边界记为RL；
参见附图3，B3.若机器人对目标路径左、右两端点可达范围存在交集，取交集的中心点RL+(LR-RL)/2作为外部轴位置的初值，转至B4步骤；若没有交集，将目标路径右端点可达范围的中心点RL+(RR-RL)/2设为外部轴位置的初值，转至B4步骤；
B4.优化外部轴位置：
B4.1判定机器人位于外部轴初值位置处对目标路径中所有路径点的可达性；
B4.2若均可达，则此位置即为优化后的外部轴位置，转至D步骤；若存在不可达的情况，则外部轴位置左移mLen/n，其中：n为大于1的整数，判定机器人位于新的导轨位置处对目标路径中所有路径点的可达性，若超出导轨左侧极限位置，则从外部轴初值位置向右间隔mLen/n计算，直到找到某外部轴位置使得机器人对目标路径中所有路径点均可达，则此位置即为优化后的外部轴位置，转至D步骤；若超出导轨右侧极限位置依旧不可达，则说明该路径线无法在外部轴位置固定的情况下完成作业，需改为随动工作状态，继续进行C步骤；
C.外部轴位置随动；
C.1确定外部轴初始位置：利用机器人逆运动学算法计算机器人对目标路径左端点的可达范围的中心点，作为外部轴初始位置，若任意外部轴位置都无法满足机器人对目标路径左端点的可达性，则判定机器人对该目标路径不可达，转至D步骤；
C.2随动：根据两个相邻路径点在X轴方向上的坐标值增幅，实时移动机器人的外部轴位置，完成对目标路径的作业；
D.结束优化过程。
本例中，步骤B中可达性的判定方法为：利用机器人逆运动学算法，计算机器人在导轨上不同位置对目标路径点的可达性，将目标路径点的位姿矩阵(包括坐标值及方位角信息的4阶矩阵)作为逆运动学算法的输入变量，若输出的各关节角度值满足机器人对应关节角的角度可达范围，则机器人在该导轨位置对该目标路径点可达，即机器人外部轴位置满足对目标路径点可达性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种工业机器人外部轴位置优化方法，其特征是：包括以下步骤：
A.如果目标路径长度不大于机器人末端运动长度限值，则进行B步骤；否则，转到C步骤；
B.确定固定的外部轴位置；
B1.沿导轨建立X轴坐标系，其原点在该导轨最左端；将目标路径左端点的坐标值记为minXPnt，目标路径右端点的坐标值记为maxXPnt；
B2.分别计算机器人对目标路径左、右两端点满足可达性时外部轴位置的范围：
B2.1设机器人底座移动距离为mLen，将minXPnt左侧距离mLen的位置作为初始外部轴位置；
B2.2判定机器人对目标路径左端点的可达性；若可达，则此处为机器人对目标路径左端点可达范围的右边界，记为LR；若不可达，则将机器人底座沿导轨左移mLen，重复B2.2步骤，直到判定出可达范围的右边界，然后转至B2.3步骤；若直到移动到导轨最左端都不可达，则将B2.1步骤中所述的初始外部轴位置设为初值，转至B4步骤；
B2.3机器人底座继续间隔mLen左移，判定对目标路径左端点的可达性，直到判定出不可达的外部轴位置为止，将最左侧的可达位置记作机器人对目标路径左端点的可达范围的左边界，记为LL，若机器人移动到导轨最左端依旧对目标路径点满足可达性，则将导轨最左端位置记为LL；
B2.4从minXPnt左侧距离mLen的位置开始，判定机器人对目标路径右端点的可达性范围，将其右边界记为RR，左边界记为RL；
B3.若机器人对目标路径左、右两端点可达范围存在交集，取交集的中心点RL+(LR-RL)/2作为外部轴位置的初值，转至B4步骤；若没有交集，将目标路径右端点可达范围的中心点RL+(RR-RL)/2设为外部轴位置的初值，转至B4步骤；
B4.优化外部轴位置：
B4.1判定机器人位于外部轴初值位置处对目标路径中所有路径点的可达性；
B4.2若均可达，则此位置即为优化后的外部轴位置，转至D步骤；若存在不可达的情况，则外部轴位置左移mLen/n，其中：n为大于1的整数，判定机器人位于新的导轨位置处对目标路径中所有路径点的可达性，若超出导轨左侧极限位置，则从外部轴初值位置向右间隔mLen/n计算，直到找到某外部轴位置使得机器人对目标路径中所有路径点均可达，则此位置即为优化后的外部轴位置，转至D步骤；若超出导轨右侧极限位置依旧不可达，则说明该路径线无法在外部轴位置固定的情况下完成作业，需改为随动工作状态，继续进行C步骤；
C.外部轴位置随动；
C.1确定外部轴初始位置：利用机器人逆运动学算法计算机器人对目标路径左端点的可达范围的中心点，作为外部轴初始位置，若任意外部轴位置都无法满足机器人对目标路径左端点的可达性，则判定机器人对该目标路径不可达，转至D步骤；
C.2随动：根据两个相邻路径点在X轴方向上的坐标值增幅，实时移动机器人的外部轴位置，完成对目标路径的作业；
D.结束优化过程。
2.如权利要求1所述的一种工业机器人外部轴位置优化方法，其特征是：所述可达性的判定方法为：利用机器人逆运动学算法，计算机器人在导轨上不同位置对目标路径点的可达性，将目标路径点的位姿矩阵作为逆运动学算法的输入变量，若输出的各关节角度值满足机器人对应关节角的角度可达范围，则机器人在该导轨位置对该目标路径点可达，即机器人外部轴位置满足对目标路径点可达性。
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