專利名稱：串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)加工用雙機器人協(xié)作系統(tǒng)及其軟件控制方法，尤其涉及一種 串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其軟件控制方法。
背景技術：
近年來，將機器人應用于工業(yè)加工生產線已成為國內外加工業(yè)的主流趨勢之一。 此類機器人的數(shù)量迅速增長，新類型不斷涌現(xiàn)，相應的軟件控制方法也逐漸多樣化。工業(yè)加 工用機器人通常由主體、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成，有3 6個運動自由度。 驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產生相應的動作；控制系統(tǒng)按照輸入 的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號并進行控制。此類機器人按臂部的運動形式分為四種直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移 動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮； 關節(jié)型的臂部有多個轉動關節(jié)。按執(zhí)行機構運動的控制機能分為點位型，只控制執(zhí)行機構 由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等簡單作業(yè)；連續(xù) 軌跡型，可控制執(zhí)行機構按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。若配備觸覺、力 覺或簡單視覺傳感器，即能在較為復雜的環(huán)境下工作；若具有識別功能或更進一步增加自 適應、自學習功能，即成為智能型機器人?，F(xiàn)有技術中的機器人加工系統(tǒng)大多是單機器人，且是簡單的串聯(lián)機械手，待加工 件支承體或為固定不動的支承臺或為僅能在水平面內作圓周轉動的簡單平臺。此類系統(tǒng)的 主要不足是結構簡單，僅能實現(xiàn)單一的幾種運動形式；工作空間小，承載能力有限；串聯(lián) 機械手存在關節(jié)累計誤差，使末端執(zhí)行器的重復定位精度降低；靈活性和適應性較差，通常 不具有冗余容錯功能；絕大部分的作業(yè)負擔集中在串聯(lián)機械手上，設備的任務分配不均衡， 影響系統(tǒng)整體壽命；僅串聯(lián)機械手全程運動完成主要任務，致使生產效率不高。系統(tǒng)的軟件控制方法大多為簡單的離線示教編程方法，僅能為機器人提供有限的 單一化的運動指令，限制了機器人的工作方式和運動的靈活性；必須離線設定好所有的運 動指令，一旦機器人開始工作，無法再實時更改指令，致使機器人沒有應對現(xiàn)場環(huán)境變化和 突發(fā)狀況的能力。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種承載能力強、工作空間大、生產效率高、靈活性適應性強、自動化 程度高、具有一定智能性和冗余容錯可靠性的高精度串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其軟件 控制方法。本發(fā)明串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，包括串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人、控制器，還可 以包括臺架、待加工件和末端執(zhí)行器。所述串聯(lián)機器人包括基座、大臂、小臂、具有多個自由 度的手腕；所述并聯(lián)機器人包括靜平臺、動平臺、伸縮桿和外筒組合成的缸筒；所述串聯(lián)機 器人固聯(lián)于所述臺架；所述末端執(zhí)行器固聯(lián)于所述串聯(lián)機器人手腕末端；所述待加工件固聯(lián)于所述并聯(lián)機器人動平臺；所述控制器包括工業(yè)計算機、顯示器及鼠標鍵盤等外圍輸入 輸出設備。本發(fā)明串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，采用分層控制的體系結構，上層 為控制器，進行串并聯(lián)機器人的任務分析、位姿描述、坐標變換、任務分配和優(yōu)化評估等解 算，根據(jù)任務執(zhí)行的情況實時產生和更新機器人本體的運動指令，指導串并聯(lián)機器人進行 協(xié)調合作；下層為串并聯(lián)機器人，接收控制器下達的指令，依據(jù)指令進行機器人自身運動學 逆解，產生期望關節(jié)變量，并結合關節(jié)驅動裝置完成機器人本體的任務執(zhí)行，實現(xiàn)預期的任 務目標。本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法，有機結合了串并聯(lián)機器人各自在結構上的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的自動化程度，使系統(tǒng)整體的工作空間、承載能力得到拓 展，增強了系統(tǒng)對不同待加工件和加工條件的適應性和靈活性，系統(tǒng)整體的生產效率、重復 定位精度、容錯可靠性得到很大的提高，同時具有一定的實時規(guī)劃、實時監(jiān)控、實時調整更 新的智能性。


圖1為本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的整體硬件結構示意圖；圖2為本發(fā)明中的并聯(lián)機器人的硬件結構及坐標系分布示意圖；圖3為本發(fā)明中的串聯(lián)機器人的硬件結構及坐標系分布示意圖；圖4為本發(fā)明中的臺架的結構示意圖；圖5為本發(fā)明中末端執(zhí)行器與待加工件表面在加工中維持法向間距的示意圖；圖6為本發(fā)明中生成期望工作點的示意圖；圖7為本發(fā)明中期望工作點在動坐標系中的位姿描述的方法示意圖；圖8為本發(fā)明中的控制器進行串并聯(lián)機器人任務分配的方法示意圖；圖9為本發(fā)明中的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)控制方法的流程示意圖。圖中1.并聯(lián)機器人2.串聯(lián)機器人3.臺架4.待加工件5.末端執(zhí)行6.控 制器7.串聯(lián)機器人基座8.串聯(lián)機器人大臂9.串聯(lián)機器人小臂10.串聯(lián)機器人手腕 11.并聯(lián)機器人靜平臺12.并聯(lián)機器人缸筒的外筒13.并聯(lián)機器人缸筒的伸縮桿14.并 聯(lián)機器人動平臺
具體實施例方式本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其較佳的具體實施方式
如圖1所示，包括 一個并聯(lián)的平臺式機器人1、一個串聯(lián)的關節(jié)式機器人2、臺架3、待加工件4、末端執(zhí)行器5 和控制器6。其中串聯(lián)機器人2具有六個自由度；并聯(lián)機器人1具有六個自由度；臺架3作 為串聯(lián)機器人2調整整體操作高度的支承件；末端執(zhí)行器5為加工任務的終端執(zhí)行元件； 控制器6包括工業(yè)計算機、終端顯示設備、外圍輸入輸出設備及人機交互界面。并聯(lián)機器人1的結構如圖2，具有六個自由度，包括靜平臺11、六個并聯(lián)鉸接的平 移伸縮缸筒12、13以及動平臺14。其中所述六個缸筒結構相同，缸筒的外筒12和靜平臺 11鉸接，鉸接點同屬一個分布圓；缸筒的伸縮桿13和動平臺14鉸接，鉸接點同屬一個分布 圓。所述缸筒可以為液壓油缸，也可以為氣缸。所述缸筒的驅動還包括液壓伺服閥(缸筒為液壓油缸時)或氣動閥(缸筒為氣缸時)、光電編碼器、標定裝置、驅動控制器等元件。工作時，所述并聯(lián)機器人的六個缸筒分別伸長或縮短，可使動平臺14實現(xiàn)空間六 自由度的運動。單個缸筒的伸縮桿最大行程可達280mm。串聯(lián)機器人2的結構如圖3，具有六個自由度，包括依次鉸接的基座7、大臂8、小臂 9及手腕10。其中基座7與大臂8之間通過第一關節(jié)I和第二關節(jié)II鉸接，第一關節(jié)I的 回轉軸線為豎直方向，第二關節(jié)II的回轉軸線為水平方向；大臂8與小臂9之間通過第三 關節(jié)III鉸接，第三關節(jié)III的回轉軸線與第二關節(jié)II的回轉軸線平行；小臂9與手腕10 通過第四關節(jié)IV鉸接，第四關節(jié)IV的回轉軸線與小臂3的軸線重合；手腕10還包括第五 關節(jié)V和第六關節(jié)VI，第五關節(jié)V的回轉軸線與第四關節(jié)IV的回轉軸線垂直，第六關節(jié)VI 的回轉軸線與第四關節(jié)IV的回轉軸線平行。所述六關節(jié)為直流伺服電機驅動，所述驅動還 包括光電編碼器、標定裝置、驅動控制器等元件。工作時，第一關節(jié)I的軸線為豎直方向，在水平面正負170度范圍內運動；第二關 節(jié)II軸線與第一關節(jié)I軸線垂直，在豎直平面正150度負45度范圍內運動；第三關節(jié)III 軸線與第二關節(jié)II軸線垂直，在豎直平面正210度負152度范圍內運動；第四關節(jié)IV軸線 與第三關節(jié)III軸線垂直，繞自身軸線做正負190度的旋轉；第五關節(jié)V軸線與其回轉軸線 重合，實現(xiàn)空間正負125度的旋轉；第六關節(jié)VI軸線與第四關節(jié)IV軸線平行，實現(xiàn)空間正 負360度的旋轉。第四關節(jié)IV、第五關節(jié)V和第六關節(jié)VI的軸線相交于同一點，且三關節(jié) 軸相互垂直。臺架3結構如圖4，其支承面在豎直Z方向可進行升降，用以調節(jié)支承面的Z向高 度，改變串聯(lián)機器人2的基座與地面的高度差，進而調節(jié)串聯(lián)機器人2的基座與并聯(lián)機器人 1的動平臺在Z向的高度差。臺架3整體在與水平地面平行的二維X-Y平面內的位置可調， 從而調節(jié)串聯(lián)機器人2的基座與并聯(lián)機器人1的基座在X-Y平面內的二維距離。所述串聯(lián)機器人2置于所述臺架3的支承面上，所述臺架3的支承面與串聯(lián)機器 人2的基座緊密固聯(lián)，加工過程中兩者無任何相對運動。所述串聯(lián)機器人2的基座軸線與 所述臺架3的支承面重心線重合。待加工件4置于并聯(lián)機器人1的動平臺14上。所述待加工件4的底部與動平臺 14的上表面緊密固聯(lián)，加工過程中兩者無任何相對運動。如待加工件4重心與其橫向剖面 的幾何中心重合，則待加工件4橫向剖面的幾何中心與并聯(lián)機器人1的動平臺14的中心豎 直共線；如待加工件4重心與其橫向剖面的幾何中心不重合，則待加工件4重心與并聯(lián)機器 人1的動平臺14的中心豎直共線。末端執(zhí)行器5固聯(lián)于串聯(lián)機器人2的手腕10末端。工作過程中，所述末端執(zhí)行器 5和串聯(lián)機器人2的手腕10嚴格同步，無任何相對運動。所述末端執(zhí)行器5為聯(lián)合加工任 務中執(zhí)行具體加工操作的終端執(zhí)行元件，可更換可拆卸，使用時根據(jù)具體任務需求，選擇合 適的類型及型號，安裝于所述串聯(lián)機器人2手腕10末端為其預留的安裝位?？刂破?為聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制中心，串并聯(lián)機器人1和2的上級監(jiān)控設備。所 述控制器6采用工業(yè)計算機進行生產過程中的任務需求分析、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、所得數(shù)據(jù)分 析處理、向所述串并聯(lián)機器人1和2下達運動指令等一系列工作。所述控制器6還包括終 端顯示設備、輸入輸出設備及人機操作界面，可以由顯示器、鍵盤鼠標以及規(guī)劃控制軟件等 組成。
工作時，所述串聯(lián)機器人2和所述并聯(lián)機器人1依據(jù)所述控制器6下達的指令進行運動，兩機器人協(xié)調配合，共同完成加工任務。 基于上述發(fā)明的硬件組成和結構，提出一種串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方 法。該方法采用分層控制的體系結構，分為上層控制和下層控制。上層為任務分配層，下層 為任務執(zhí)行層。上層為控制器6，負責任務分析、位姿描述、坐標變換、任務配置、軌跡規(guī)劃、 參數(shù)優(yōu)化評估和運動控制等，根據(jù)下層任務執(zhí)行的情況實時產生和更新發(fā)送給串并聯(lián)機器 人1和2的運動指令；下層為串并聯(lián)機器人1和2的本體，接收所述控制器6下達的指令， 依據(jù)指令進行機器人自身運動學逆解，產生期望關節(jié)變量，而后結合關節(jié)驅動裝置完成機 器人本體的任務執(zhí)行，實現(xiàn)預期的任務目標。通過所述的軟件方法設計和硬件驅動，控制器 6能夠指導串聯(lián)機器人2和并聯(lián)機器人1進行協(xié)調合作，共同完成加工任務。本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)可配備于施釉、切割、焊接、裝配和研磨拋光 等工業(yè)生產的多種應用中。將本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應用于陶瓷加工工業(yè)中對 陶瓷坯體的表面進行施釉的工藝中，所述待加工件4為陶瓷坯體，以下稱坯體4 ；所述末端 執(zhí)行器5為施釉噴槍，以下稱噴槍5 ；噴槍5連接空氣壓縮機風管，利用壓縮空氣將釉料噴 成霧狀，所述霧狀釉料經噴槍5的槍口噴出，均勻粘附于坯體4表面，形成厚薄均勻的釉層； 所述并聯(lián)機器人1為六自由度液壓伺服閥及液壓油缸驅動的Stewart并聯(lián)平臺，以下稱 Stewartl ；所述串聯(lián)機器人2為六自由度直流伺服電機驅動的Puma串聯(lián)工業(yè)機器人，以下 稱 Puma2。所述噴槍5固聯(lián)于Puma2的手腕10末端，與Puma2手腕同步運動；所述坯體4固 聯(lián)于Stewartl動平臺14，與動平臺14同步運動；所述臺架3的支承面，其空間位置可調， 用以調整與其固聯(lián)的Puma2基座7在靜坐標系中的三維位置；所述Stewartl靜平臺11固 聯(lián)于靜坐標系。將本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應用于切割時，所述待加工 件4為各種待切割金屬或非金屬材料，所述末端執(zhí)行器5為切割專用刀具，串并聯(lián)機器人1 和2通過協(xié)調運動使所述刀具以要求的接觸力度接觸所述待切割材料，并在指定的位置按 指定的樣式將所述材料進行切割。將本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應用于焊接時，所述待加工 件4為各種待焊接金屬或熱塑性材料，所述末端執(zhí)行器為焊槍，焊槍中裝有焊料，串并聯(lián)機 器人1和2協(xié)調運動使所述待焊接材料和焊料熔化形成熔融區(qū)域，稱熔池，熔池冷卻凝固后 便形成材料之間的連接。將本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應用于裝配時，所述待加工 件4為裝配母體，所述末端執(zhí)行器5為各種待裝配入所述母體的零件，串并聯(lián)機器人1和2 協(xié)調運動將所述待裝配零件按規(guī)定的技術要求精確組裝入所述母體中，最終整體形成合格 的產品。將本發(fā)明的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應用于研磨拋光(簡稱磨 拋)時，所述待加工件4為待磨拋的金屬或非金屬工件，所述末端執(zhí)行器5為專用磨拋工 具，加工時，先利用涂敷或壓嵌在所述磨拋工具上的磨料顆粒，通過所述工具與所述待磨拋 工件在一定壓力下的相對滾動和碰撞對所述待磨拋工件的加工表面進行精整加工，用以去除所述待磨拋工件的表面凸鋒，從而減小表面粗糙度；而后用拋光粉和所述待磨拋工件的表面間產生的相對磨削和滾壓作用來消除磨痕，進一步提高所述待磨拋工件表面的光滑度 和光澤。在以上所述的應用場合中，所述待加工件4和所述末端執(zhí)行器5兩者與本發(fā)明的 串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)中其他組成部分的結構關系、位置關系、硬件連接等，針對不同 的實施對象其具體細節(jié)略有差別，但主要思路和方法均基本類似。以下介紹所述串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法應應用于所述陶瓷坯體施 釉的實施例中時，所述控制方法的設計思想和實現(xiàn)手段。如圖2，建立靜坐標系XYZ，其原點0位于Stewartl靜平臺11的幾何中心，X_Y平 面與靜平臺11上各液壓缸鉸接點分布圓共面；建立隨坯體4及Stewartl動平臺14同步運 動的動坐標系X' Y' V，其原點0'位于Stewartl動平臺14幾何中心，X-Y平面與動平 臺14上的各鉸接點分布圓共面。當動平臺14位于初始零位時，動、靜坐標系的Z'和Z軸 重合，動靜平臺14、11的Z向距離為Dtl且靜坐標系Z軸穿過0'。施釉時，所述噴槍5噴口與坯體4的待施釉曲面的法向需維持一定的間距，如圖5， 噴槍5移動至接近待加工位置點P時，其噴口的朝向應與點P的法線兩的方向平行反向，噴 口的幾何中心線應與法線兩重合；最終精確到達待加工位置點P時，噴口末端還需要與點 P在法線兩方向上維持一個預先設定的距離d，以確保噴槍5不會觸碰待加工件的表面，且 釉料能以適當?shù)暮穸染鶆?、連續(xù)地噴于坯體4表面。所述參數(shù)d根據(jù)具體任務要求的釉面 厚度以及噴槍5噴口的口徑大小具體設定?？刂品椒ǖ膶崿F(xiàn)流程主要包括以下七個部分第一和第二部分為初始化和空間坐標變換法則的定義第一，確定任務，將任務描述成工作點的集合的形式。如圖6，根據(jù)噴槍5出口釉料 的噴射范圍，在待施釉曲面上取若干相隔一段距離的空間三維連續(xù)曲線；根據(jù)所述曲線的 空間延展范圍、曲線曲率的大小和分布、串并聯(lián)機器人1和2的關節(jié)容許運動速度的大小， 確定各曲線上相鄰采樣點的間隔；將噴口與待加工曲面的法向間距要求d考慮進來，得到 每條曲線的采樣點序列，也即所述的待加工位置點。設定所述采樣點序列在動坐標系中的坐標描述為Sd(i)，其中i為計數(shù)符號，表示 序列中的第i個點。所述Sd(i)為列向量，含6個元素，前三行為位置坐標，后三行為姿態(tài) 坐標，以下與位姿有關的敘述中沿用此表達方式。所述序列Sd(i)作為所述串并聯(lián)機器人 聯(lián)合加工系統(tǒng)期望到達的空間三維軌跡點，通過串并聯(lián)機器人1和2的協(xié)調運動，使Pumal 的手腕10末端固聯(lián)的噴槍5的噴口按要求精確對準待加工件上的軌跡點，而后進行施釉。 所述軌跡點序列Sd(i)用以對加工任務進行技術描述，以下稱Sd(i)為工作點。第二，工作點在動坐標系中的位姿描述。如圖7，任一工作點P的空間狀態(tài)用在 相應坐標系中的位姿來描述，每個位姿包括三維的位置和三維的姿態(tài)。圖中δ 為工作點 在動坐標系中的位置向量，投影到χ-γ平面為向量0F’ ,再將分別向χ、Υ軸投影，并將
向Z軸投影，得到動坐標系中P的位置=為動坐標系中工作點處的法向
量，將其起點移至坐標系原點0，得到向量閃，將兩投影至X-Y平面得到向量同理， 由_和頃可得動坐標系中P的姿態(tài)司=斤^ 1 4又則點？在動坐標系中的位姿為<formula>formula see original document page 10</formula>第三至第六部分為雙層控制中的上層任務分配第三，定義任務元素和雙機器人協(xié)調運動的合作方式。將工作點在靜坐標系中的 位置(position)定義為A，姿態(tài)(orientation)定義為B，將串聯(lián)機器人(Puma2)定義為a， 并聯(lián)機器人(Stewartl)定義為b。根據(jù)A、B、a、b的不同搭配得到四種組合形式，作為所 述聯(lián)合加工系統(tǒng)中串并聯(lián)機器人1和2的合作方式，如圖8。若某一工作點在靜坐標系中 的期望位置分配給Puma2來實現(xiàn)，期望姿態(tài)分配給Stewartl來實現(xiàn)，合作方式為‘Aa+Bb’， 用j = 1表征此備選項；若工作點的期望位置和姿態(tài)的分配與j = 1恰相反，合作方式變成 ‘Ab+Ba’，用j = 2表征；若整個位姿都分配給Puma2，得到j = 3的方式‘(A+B)a’ ；若整個 位姿都分配給Stewartl，得到j = 4的方式‘(A+B)b’。工作點序列Sd(i)中的每一個點， 均可從以上所述四種合作方式中選取一種作為該點處兩機器人的合作方式，具體選擇何種 方法由控制器6給出的任務分配指令決定。第四，將工作點在動坐標系中的位姿轉換為靜坐標系中以任務元素A，a, B, b表示 的位姿。 ①調整臺架3整體的X-Y位置以及支承面的Z向高度，將Puma2基座7在靜坐標系 中的三維位置(xQ，yQ，zQ)設定至合適的值。本最佳實施例中，設定Puma2基座7與Stewartl 動平臺14幾何中心的初始位等高，即Ztl = Dtl ；②設定以Stewartl動平臺14幾何中心點的位姿代表Stewartl的位姿，以Puma2 手腕10末端中心點(設定已將噴槍5的尺寸考慮在內)的位姿代表Puma2的位姿；③第一工作點Sd(I)，Stewartl處于初始位，靜坐標系中位姿R0 = (0,0, D0,0,0, 0)τ ；Puma2移至Sd(I)處，由于此時Stewartl未發(fā)生任何運動，Puma2在靜坐標中的位姿為 Sd⑴+Rtl;將此時兩機器人的位姿作為其工作的起點，得Puma2在第一工作點的位姿Ra(I) =RJSd(I)，Stewartl 在第一工作點的位姿 Rb(I) = R0 ；④從第二工作點Sd(2)開始，由合作方式的選取結果來決定工作點在靜坐標系中 的期望位姿，即串并聯(lián)機器人1和2各自在靜坐標系中“下一個期望到達點的位姿”，以下稱 期望位姿。工作點在動坐標系中的位姿始終為Sd(i)，與合作方式無關，但其在靜坐標系中 的位姿隨合作方式的不同而不同，原因在于合作方式不同將引導Stewartl動平臺14作不 同的運動，而工作點所在的坯體4固聯(lián)于Stewartl動平臺14，故動平臺14的運動不同使得 工作點在靜坐標系中的位姿不同，而位姿將最終影響串并聯(lián)機器人1和2的期望位姿。具體地，設定機器人在兩相鄰工作點之間走的路徑為直線，前一時刻兩機器人在 靜坐標系中的實際位姿Ra(i_l)、Rb(i-1)已由下文第七部分中將描述的下層任務執(zhí)行的結 果反饋得到。若當前工作點Sd(i)處控制器6選擇合作方式j = 1 ‘Aa+Bb’，則串并聯(lián)機器 人1和2各自靜坐標系中的當前期望位姿的迭代算法為
L0056」 公式 1 J-i'jRbORbG — iX-fSdO-SdG-l^Gj) 其中‘i-Ι’表示相對于當前工作點的上一個已完成的工作點；{Sd(i)-Sd(i_l)} (1 3)表示Sd(i)-Sd(i_l)所得列向量的前三行，即位置；同理(4 6)表示其所屬向量 的后三行，即姿態(tài)；Rb(i)中后一項出現(xiàn)的負號是由于坯體4固聯(lián)與Stewartl動平臺14，工 作點與Stewartl同步運動，造成Puma2和Stewartl到達工作點的運動趨向相反若Puma2需順時針轉一角度到達空間某一點，相同的任務由Stewartl執(zhí)行時則需逆時針轉。同理，其他三種合作方式下串并聯(lián)機器人1和2各自在靜坐標系中的當前期望位 姿的迭代算法為公式2<formula>formula see original document page 11</formula>
第五，聯(lián)合加工的雙機器人任務配置。①設定一目標函數(shù)作為不同合作方式下兩機器人任務完成結果的質量評定指標， 依據(jù)此目標函數(shù)選出每一工作點處使得目標函數(shù)值最小的最優(yōu)合作方式。所述目標函數(shù)可 以是花費的時間，消耗的能量，走過的路程等。本實施例以花費的時間為目標函數(shù)，所述時間的計算，需調用機器人的運動學逆 解算法由笛卡爾空間的機器人位姿，即上文所述的機器人在靜坐標系中的期望位姿，反推 機器人各自關節(jié)空間的期望關節(jié)變量，而后進一步計算得到所述的時間值。所述期望關節(jié) 變量包括Puma2的期望關節(jié)旋轉角和Stewartl的期望關節(jié)伸長量。②對每一個工作點在四種不同合作方式下依次計算l)Puma2完成其期望位姿運 動所需的總用時，取Puma2各關節(jié)實現(xiàn)其期望關節(jié)旋轉角所用時間的最大值；2) Stewartl 完成其期望位姿運動所需的總用時，取Stewartl各關節(jié)實現(xiàn)其期望關節(jié)伸長量所用時間 的最大值；3)聯(lián)合加工完成期望任務所需的總用時，取Puma2和Stewartl完成期望位姿總 用時的最大值。本實施例采用位置控制方法，將機器人自身關節(jié)運動簡化為勻速運動，所述運動 學逆解選用非遞歸的直接運動學逆解法，即由期望位姿反推求得機器人的期望關節(jié)變量。本實施例設定Puma2各關節(jié)運動過程中始終以其容許的最大轉速勻速旋轉， Stewartl各關節(jié)以其容許的最大線速度勻速平移。③對每個工作點，計算得到上述四種不同合作方式下聯(lián)合加工完成期望任務的總 用時，選出用時最少的一種，作為此工作點的雙機器人運動合作方式。④以上所述為工作點選擇雙機器人合作方式的計算過程中，可添加合理的優(yōu)化方 法對任務配置的部分技術參數(shù)進行優(yōu)化，使任務配置具有一定的靈活性和對外界環(huán)境突發(fā) 狀況的適應性，且能夠精簡程序，縮短計算機的運算耗時，提高控制效率。所述優(yōu)化方法包 括蟻群優(yōu)化，神經網絡優(yōu)化，自適應優(yōu)化等。第六，評估合作方式的可行性。判斷某工作點選出的合作方式是否超出聯(lián)合加工 系統(tǒng)的硬件容許能力，如未超出，則接受此方式；如超出，則返回上一步，選擇次優(yōu)的合作方 式，再次判斷；直至選出在系統(tǒng)硬件容許能力范圍內的可行合作方式，并接受其作為當前工 作點的合作方式。所述的硬件容許能力包括Puma2各關節(jié)的最大容許轉角，Puma2的可達 工作空間，Stewartl各關節(jié)的最大容許伸長量，Stewartl的可達工作空間，等。第七部分為雙層控制中的下層任務執(zhí)行第七，聯(lián)合加工的雙機器人任務執(zhí)行。根據(jù)選出的可行合作方式，按所述任務分配 和所述機器人運動學逆解設定的規(guī)則，將聯(lián)合加工的總體任務分配給Puma2和Stewartl，兩機器人隨后按照給定的任務分配指令運動，執(zhí)行各自的子任務Puma2關節(jié)中的所述驅動控制器驅動所述伺服電機旋轉，同時所述各光電編碼器 實時給出各電機的當前實際旋轉角度，使Puma2向期望位姿處持續(xù)運動，直至光電編碼器 的值都達到各電機的期望旋轉角——對應關節(jié)的所述期望旋轉角的值時，驅動控制器控制 電機停止旋轉，此時Puma2到達期望位姿，完成當前分配的子任務，并符合預先設定的各項 約束指標；
Stewartl同理，各關節(jié)的所述驅動控制器驅動所述缸筒的伸縮桿進行直線往復運 動，同時所述各光電編碼器給出各伸縮桿的當前實際直線位移，使Stewartl向期望位姿處 持續(xù)運動，直至光電編碼器的值都達到各伸縮桿的期望伸長量——對應關節(jié)的所述期望伸 長量的值時，驅動控制器控制伸縮桿停止運動，此時Stewartl到達期望位姿，完成當前分 配的子任務，并符合預先設定的各項約束指標。每完成一個工作點的任務執(zhí)行，即所述兩機器人實現(xiàn)各自的期望位姿后，由關節(jié) 中的所述標定裝置記錄兩機器人在靜坐標系中的當前實際笛卡爾位姿Ra (i)、Rb (i)，并反饋 給所述的上層控制器6，在所述下一工作點進行兩機器人期望位姿的推導，也即所述公式1 或公式2的迭代計算時，作為相對的上一工作點處兩機器人的已知實際位姿使用。至此，當前工作點的任務分配和任務執(zhí)行完畢，開始下一工作點的任務分配和任 務執(zhí)行，此時將再次順序運行第三至第七部分的流程，且上一工作點的‘當前笛卡爾位姿 Ra⑴、Rb⑴，，此時將順應變成Ra (i-1)、Rb (i-1)。對所有工作點逐一執(zhí)行此流程，直至完成最后一個工作點的任務，施釉結束，整體 任務完成，系統(tǒng)停止工作，串并聯(lián)機器人1和2進行復位，回至其各自初始零位，所述初始零 位為預先設定的兩機器人各自在其不工作、不帶載狀態(tài)時的初始位置。以上所述控制方法的整體流程示意圖如圖9。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比在硬件結構上，并聯(lián)機器人作為待加工件的支承體，同時 自身又作為與串聯(lián)機器人具有同等重要性的獨立多自由度機器人，積極參與系統(tǒng)的作業(yè)， 增強了系統(tǒng)結構的緊湊性；末端執(zhí)行器與串聯(lián)機器人手腕固聯(lián)，能實現(xiàn)多種位姿的轉換，有 較高的靈活度；串并聯(lián)雙機器人聯(lián)合加工，擴展了系統(tǒng)的工作空間，使系統(tǒng)能夠加工幾何形 狀更為復雜、表面更為凹凸不平整的待加工件，很大程度上拓寬了系統(tǒng)加工對象和加工條 件的應用范圍，以滿足不同客戶的需求，提高產品市場競爭力；結合了串聯(lián)機器人靈巧、工 作空間大、伸展性好和并聯(lián)機器人剛度大、承載能力強、定位精度高的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)整 體的靈活性和適應性；除雙機器人聯(lián)合加工外，還可將并聯(lián)機器人固定不動，僅作為待加工 件支承體使用，單獨進行串聯(lián)機器人的加工操作，在相對簡單的加工任務中使用。在軟件的 控制方法上，用一個控制器對串并聯(lián)雙機器人進行上層控制，自動化程度高，控制的集中性 強；雙機器人的同步高精度協(xié)作運動，更進一步提高了系統(tǒng)的最終加工精度；將工作點的 位姿任務分解為位置和姿態(tài)兩個子任務，將子任務以不同的方式分配給兩機器人，并采用 優(yōu)化組合的方法對任務的分配模式進行優(yōu)化，得到符合硬件容許能力范圍內的雙機器人最 優(yōu)合作方式，大大提高了生產效率，并使加工作業(yè)有了一定程度的智能化；分層控制的體系 結構，任務分配和任務執(zhí)行分工明確，并有各自的硬件載體，使得加工作業(yè)的負擔被均衡分 攤，提高了系統(tǒng)整體的冗余容錯性和工程可靠性，并可延長硬件設備的整體使用壽命。本發(fā)明的主要功能是用于工業(yè)生產線上的加工作業(yè)，如施釉、噴涂、焊接等。通過軟件上的方法設計和硬件上的關聯(lián)合作，控制器能根據(jù)給定的任務需求和指標自主指導 串并聯(lián)雙機器人完成三維空間內位置和姿態(tài)的精確運動和定位。實現(xiàn)了全自動化的加工作 業(yè)，減輕了操作監(jiān)控人員的工作負擔，提高了生產效率和產品質量；在滿足給定系統(tǒng)約束的 前提下，具備一定的智能性，并有相當程度的承載能力、靈活性和容錯可靠性。該系統(tǒng)既能 實現(xiàn)串并聯(lián)雙機器人的協(xié)調合作，也能作為串聯(lián)機器人單獨的作業(yè)裝置在簡單任務中進行 加工作業(yè)。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，包括一個并聯(lián)的平臺式機器人、一個串聯(lián)的關節(jié)式機器人、臺架、待加工件、末端執(zhí)行器和控制器，所述控制器采用分層控制的體系結構控制所述串聯(lián)機器人和所述并聯(lián)機器人協(xié)調配合，完成所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工的任務；所述分層控制的體系結構，分為上層控制和下層控制；其中，所述上層為任務分配層，由控制器組成；所述下層為任務執(zhí)行層，由串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人本體組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，所述并聯(lián)機器人包括靜平臺、平移伸縮缸筒、動平臺；所述串聯(lián)機器人包括依次鉸接的基座、大臂、小臂、手腕；所述臺架的支承面在豎直方向的高度可進行升降調節(jié)，所述臺架整體在水平面內的位 置也可進行調節(jié)；所述待加工件置于所述并聯(lián)機器人的所述動平臺上，所述待加工件底部與所述動平臺 上表面緊密固聯(lián)；所述末端執(zhí)行器固聯(lián)于所述串聯(lián)機器人的所述手腕的末端，所述手腕備有為所述末端 執(zhí)行器預留的安裝位；以及所述控制器包括工業(yè)計算機、終端顯示設備、輸入輸出設備、人機操作界面。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，所述并聯(lián)機器人還包括關節(jié)驅動裝置，所述驅動裝置包括閥、光電編碼器、標定裝置、 驅動控制器；所述并聯(lián)機器人的所有平移伸縮缸筒的外筒均與所述靜平臺鉸接，鉸接點同屬一個分 布圓；所述平移伸縮缸筒的伸縮桿均與所述動平臺鉸接，鉸接點同屬一個分布圓；以及所述串聯(lián)機器人還包括關節(jié)驅動裝置，所述驅動裝置包括伺服電機、光電編碼器、標定 裝置、驅動控制器；所述串聯(lián)機器人置于所述臺架的所述支承面上，所述支承面與所述基座緊密固聯(lián)；所述基座的軸線與所述支承面的重心線重合。
4.根據(jù)權利要求3所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，所述基座與所述大臂之間通過第一關節(jié)和第二關節(jié)鉸接，所述第一關節(jié)的回轉軸線為 豎直方向，所述第二關節(jié)的回轉軸線為水平方向；所述大臂與所述小臂之間通過第三關節(jié)鉸接，所述第三關節(jié)的回轉軸線與所述第二關 節(jié)的回轉軸線平行；所述小臂與所述手腕之間通過第四關節(jié)鉸接，所述第四關節(jié)的回轉軸線與所述小臂的 軸線重合；所述手腕還包括第五關節(jié)和第六關節(jié)，所述第五關節(jié)的回轉軸線與所述第四關節(jié)的回 轉軸線垂直，所述第六關節(jié)的回轉軸線與所述第四關節(jié)的回轉軸線平行。
5.一種串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括一個并聯(lián) 的平臺式機器人、一個串聯(lián)的關節(jié)式機器人、臺架、待加工件、末端執(zhí)行器和控制器，所述控 制方法采用分層控制的體系結構，分為上層控制和下層控制；其中，所述上層為任務分配層，由控制器組成；所述下層為任務執(zhí)行層，由串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人本體組成； 所述任務分配層負責任務分析、位姿描述、坐標變換、任務配置、軌跡規(guī)劃、參數(shù)優(yōu)化評 估和運動控制等；所述任務分配層還需根據(jù)下層任務執(zhí)行的情況實時產生和更新發(fā)送給所述串并聯(lián)機 器人的運動指令；所述任務執(zhí)行層負責接收所述控制器下達的指令，依據(jù)所述指令進行機器人自身運動 學逆解，產生期望關節(jié)變量，并結合關節(jié)驅動裝置完成機器人本體的任務執(zhí)行，實現(xiàn)預期的 任務目標。
6.根據(jù)權利要求5所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 控制方法開始時先建立靜坐標系和動坐標系，并在所述待加工件上采樣獲得工作點序列；所述工作點的位置、姿態(tài)，以及所述串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人分別定義為四個任務元 素，根據(jù)此四個任務元素的不同搭配，可得所述聯(lián)合加工系統(tǒng)中所述串并聯(lián)機器人的四種 合作方式；任一所述工作點從所述四種合作方式中選取一種作為該點處所述串并聯(lián)機器人的合 作方式，該選取由所述控制器給出的任務分配指令決定。
7.根據(jù)權利要求6所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 串并聯(lián)機器人在任一所述工作點處選取所述不同的合作方式時，其各自在所述靜坐標系中 的期望位姿的迭代算法，由公式1和公式2給出，公式1<formula>formula see original document page 3</formula>公式2<formula>formula see original document page 3</formula>所述j為所述合作方式的代號；所述Sd為所述工作點在所述動坐標系中的位姿，所述i為所述工作點的編號； 所述Ra為所述串聯(lián)機器人于所述工作點i處在所述靜坐標系中的期望位姿； 所述Rb為所述并聯(lián)機器人于所述工作點i處在所述靜坐標系中的期望位姿。
8.根據(jù)權利要求5所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 任務分配設定了一個目標函數(shù)作為所述串并聯(lián)機器人在所述不同合作方式下任務完成結 果的質量評定指標；所述目標函數(shù)負責選出所述每一工作點處使得其值最小的所述合作方式作為該工作 點處的最優(yōu)合作方式；所述目標函數(shù)可以是花費的時間，或消耗的能量，或走過的路程； 當所述目標函數(shù)為花費的時間時，所述時間的計算需調用機器人運動學逆解算法； 所述運動學逆解算法由機器人在靜坐標系中的笛卡兒期望位姿反推機器人各關節(jié)空 間的期望關節(jié)變量，進一步計算得到所述時間；所述關節(jié)變量包括所述串聯(lián)機器人的期望關節(jié)旋轉角和所述并聯(lián)機器人的期望關節(jié) 伸長量。
9.根據(jù)權利要求8所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 每一工作點處，都需計算所述四種不同合作方式下所述串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工完成其期望 任務的總用時，其中用時最少的一種作為此工作點處的所述雙機器人合作方式；所述串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工完成其期望任務的總用時，取串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人各 自完成其所述期望位姿的總用時的最大值；所述串聯(lián)機器人完成其期望位姿的總用時，取其各關節(jié)實現(xiàn)其所述期望關節(jié)旋轉角所 用時間的最大值；所述并聯(lián)機器人完成其期望位姿的總用時，取其各關節(jié)實現(xiàn)其所述期望關節(jié)伸長量所 用時間的最大值；對所述的每一工作點處選出的所述雙機器人合作方式，需判斷其是否超出所述串并聯(lián) 機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的硬件容許能力；如未超出所述硬件容許能力，則接受此方式，如超出，則需返回所述目標函數(shù)的計算， 選擇次優(yōu)的合作方式，再次執(zhí)行所述判斷，直至選出在所述硬件容許能力范圍內的可行合 作方式，作為所述當前工作點的合作方式。
10.根據(jù)權利要求5所述的串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 任務執(zhí)行包括所述串聯(lián)機器人執(zhí)行其被分配的子任務和所述并聯(lián)機器人執(zhí)行其被分配的 子任務；所述串聯(lián)機器人被分配的子任務的流程為各關節(jié)的所述驅動控制器驅動所述伺服電 機旋轉，同時所述各光電編碼器給出所述各伺服電機的當前實際旋轉角度，使所述串聯(lián)機 器人持續(xù)運動，直至所述光電編碼器的值都達到所述各電機的期望旋轉角——對應關節(jié)的 所述期望旋轉角的值時，所述驅動控制器控制所述伺服電機停止旋轉；所述并聯(lián)機器人被分配的子任務的流程為各關節(jié)的所述驅動控制器驅動所述缸筒 的所述伸縮桿進行直線往復運動，同時所述各光電編碼器給出所述各伸縮桿的當前實際直 線位移，使所述并聯(lián)機器人持續(xù)運動，直至所述光電編碼器的值都達到所述各伸縮桿的期 望伸長量——對應關節(jié)的所述期望伸長量的值時，所述驅動控制器控制所述伸縮桿停止運 動；所述每一當前工作點處，所述任務執(zhí)行在所述任務分配完成后實施；所述每一當前工作點處的所述任務執(zhí)行完成后，所述兩機器人關節(jié)中的所述標定裝置 記錄所述兩機器人在所述靜坐標系中的當前實際位姿，并反饋給所述控制器；所述反饋在所述下一工作點進行所述兩機器人期望位姿的推導時，作為相對的上一工 作點處所述兩機器人的已知實際位姿使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種串并聯(lián)機器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)包括串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人、控制器，還可以包括臺架、待加工件和末端執(zhí)行器，控制器采用分層控制的體系結構控制所述串聯(lián)機器人和所述并聯(lián)機器人，上層控制器進行任務分配和運動控制，下層串并聯(lián)機器人進行硬件驅動和任務執(zhí)行。本發(fā)明將系統(tǒng)硬件與軟件方法結合，提高了加工的自動化程度、生產效率、承載能力和重復定位精度，增強了系統(tǒng)的靈活性適應性，能夠在線實時控制，且具有一定的智能性。
文檔編號B25J9/08GK101811301SQ200910236238
公開日2010年8月25日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權日2009年10月28日
發(fā)明者付永領, 彭朝琴, 王巖, 祁曉野, 羅婉琴 申請人:北京航空航天大學