本發(fā)明涉及一種基于離線編程的機(jī)器人加持工件打磨的軌跡規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
：隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)機(jī)器人在焊接、切割、雕刻、打磨、去毛刺等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人的加工效率和精度也不斷提高。在上述幾種加工工藝中，打磨的應(yīng)用最為靈活、復(fù)雜。小工件的打磨工藝具有以下特點(diǎn)：工件的外形復(fù)雜，多為不規(guī)則的樣條曲面、樣條曲線，用數(shù)學(xué)解析法難以描述；工件體積比較小，如水龍頭表面打磨、刀片刀刃打磨，一般是機(jī)器人加持工件在打磨帶上進(jìn)行打磨。這兩個(gè)特點(diǎn)決定了機(jī)器人的打磨軌跡必須滿足兩個(gè)條件：機(jī)器人的軌跡點(diǎn)必須密集，才能打磨出和曲線曲面形狀較為吻合的形狀。打磨軌跡點(diǎn)法向量必須垂直于打磨帶的法向，才能保證工件表面質(zhì)量，不產(chǎn)生過(guò)切和干涉。因此，采用示教的方法處理打磨工況時(shí)，示教人員示教點(diǎn)間隔只能保持在2～3mm，且每一點(diǎn)的機(jī)器人姿態(tài)僅靠肉眼觀察難以保證。另外，由于機(jī)器人的工具末端點(diǎn)一般標(biāo)定在相對(duì)固定的位置，如夾具的末端，而不是在工件上，這樣示教人員示教工件的姿態(tài)變化時(shí)就很繁瑣，通常需要同時(shí)修改機(jī)器人的位置和姿態(tài)，才能保證工件的打磨點(diǎn)緊靠打磨帶進(jìn)行打磨。這些個(gè)限制條件大大降低了示教的效率，加大了示教難度。示教人員打磨一個(gè)水龍頭通常要示教上千個(gè)點(diǎn)，僅示教時(shí)間就長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)。離線編程作為機(jī)器人應(yīng)用過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)有力的推動(dòng)了機(jī)器人作業(yè)的效率，降低了機(jī)器人示教人員的工作難度，但是在加持工件打磨的領(lǐng)域，還沒(méi)有形成較為實(shí)用的打磨軌跡規(guī)劃方案。中國(guó)專(zhuān)利發(fā)明《一種實(shí)現(xiàn)六軸拋光打磨機(jī)械臂離線編程的方法和裝置》(公開(kāi)號(hào)cn103692320a)公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)六軸拋光打磨機(jī)械臂離線編程的方法和裝置，該方法是在離線編程軟件中導(dǎo)入機(jī)器人模型、工件模型和打磨機(jī)打磨點(diǎn)的位置的方法，將工件的打磨軌跡離散成插補(bǔ)點(diǎn)后，生成打磨軌跡；示教打磨帶上的打磨點(diǎn)，并使打磨軌跡點(diǎn)和打磨點(diǎn)重合的方法，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人軌跡，但是只能對(duì)單個(gè)打磨軌跡點(diǎn)微調(diào)，不便于對(duì)打磨軌跡點(diǎn)整體調(diào)整。該方法輸出的打磨程序中，記錄的機(jī)器人各關(guān)節(jié)大角度，如果更換了機(jī)器人型號(hào)、機(jī)器人工具坐標(biāo)系或者更改了打磨設(shè)備的擺放位置，輸出的打磨程序就不能復(fù)用。中國(guó)專(zhuān)利發(fā)明《基于三維建模軟件實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人離線編程的方法》(公開(kāi)號(hào)cn103085072b)公開(kāi)了一種基于三維建模軟件的離線編程方法，該方法在三維建模軟件導(dǎo)入機(jī)器人模型、工具坐標(biāo)系、繪制空間曲線，根據(jù)空間曲線離散后生成的插補(bǔ)點(diǎn)軌跡機(jī)器人軌跡，但是只能用于機(jī)器人加持工具加工的情況，如果加工軌跡位于工件，同時(shí)機(jī)器人加持工件進(jìn)行加工，那么該離線編程方法就無(wú)法解決這種加工情況。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明旨在解決機(jī)器人應(yīng)用在加持工件打磨的領(lǐng)域面臨的技術(shù)難題，提供了一種基于離線編程的加持工件打磨的軌跡規(guī)劃方法，離線生成機(jī)器人程序，機(jī)器人程序只含有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)末端位置信息，不含有和機(jī)器人本體相關(guān)的關(guān)節(jié)信息等，因而在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間范圍內(nèi)，程序可移植性和復(fù)用性較好。本發(fā)明方法，包含以下步驟：1.在三維建模軟件中導(dǎo)入機(jī)器人模型，將機(jī)器人基坐標(biāo)系原點(diǎn)約束在裝配體空間的零點(diǎn)；導(dǎo)入工件夾具模型和工件模型，并按照實(shí)際的裝配關(guān)系，將夾具與機(jī)器人的六軸按照實(shí)際的裝配情況建立約束，將夾具和工件按照實(shí)際的裝夾情況建立約束(如圖1所示)；2.根據(jù)工件夾具的實(shí)際尺寸，建立機(jī)器人的工具參數(shù)，即機(jī)器人的工具末端點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)；3.根據(jù)打磨帶上的打磨工具點(diǎn)，建立機(jī)器人的用戶(hù)坐標(biāo)系位姿參數(shù)，即機(jī)器人的用戶(hù)坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)；4.在工件的打磨面，繪制一條樣條曲線，作為打磨軌跡；5.計(jì)算打磨軌跡上各個(gè)位置的最佳姿態(tài)，具體方法是將打磨曲線離散成指定數(shù)量的插補(bǔ)點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的法向量和切向量打磨曲線的離散示意圖見(jiàn)圖2，離散得到插補(bǔ)點(diǎn)的法向量和切向量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3；具體的計(jì)算步驟是：1)鼠標(biāo)選擇一條樣條曲線和曲線所在曲面；2)輸入曲線上插補(bǔ)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；3)計(jì)算每個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的位置和法向量、切向量，具體的計(jì)算過(guò)程為：a)在離線編程軟件中，任何復(fù)雜形狀的曲線都可以用表示成三次b樣條函數(shù)的形式c(u)，c(u)的表達(dá)式為：：其中，ni,k(u)是b樣條基函數(shù)，pi是第i個(gè)控制頂點(diǎn)的坐標(biāo)值，i＝1,2,…,n，n是控制頂點(diǎn)的個(gè)數(shù)，u是一個(gè)單調(diào)不減的實(shí)數(shù)序列；b)在離線編程軟件中，可以將任何復(fù)雜的曲面表示成雙三次樣條曲面函數(shù)的形式s(u,t)，s(u,t)可以表示成兩個(gè)b樣條曲線的張量積：其中，nj,l(t)，ni,k(u)是兩個(gè)b樣條基函數(shù)，pi,j是定義在u×t空間上的一個(gè)控 制頂點(diǎn)的坐標(biāo)，m、n為常數(shù)，表示u、t的最大值；c)法向的計(jì)算：根據(jù)u值和c(u)表達(dá)式計(jì)算所求插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)值(xyz)，將坐標(biāo)值代入s(u,t)中反求(u,t)，那么這點(diǎn)在雙三次樣條曲面上的法向量可以表示成這點(diǎn)在樣條曲面上的兩個(gè)主矢量的叉乘：d)切向的計(jì)算：對(duì)于曲線上的兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)pi，pi+1，定義pi處的切向量定義為pi、pi+1是曲線上兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)值；則和p⊥，p//決定的平面相垂直的向量popo＝p//×p⊥；那么就構(gòu)成了一個(gè)3×3的矩陣，將這個(gè)點(diǎn)的位置和這個(gè)矩陣轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的工具坐標(biāo)系下，并用六參數(shù)法表示為pi＝(xyzabc)，成為打磨軌跡點(diǎn)，這里的點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)包含位置和姿態(tài)的坐標(biāo)系；則所有打磨軌跡序列表示成(p1p2...pn)。6.打磨初始法向?qū)φ?，即使第一個(gè)軌跡點(diǎn)和打磨工具點(diǎn)的法向平行，詳細(xì)的處理步驟分為以下兩步：1)首先使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到任意的一個(gè)關(guān)節(jié)位置，獲取當(dāng)前工具點(diǎn)位姿，并根據(jù)打磨軌跡點(diǎn)和工具坐標(biāo)系的關(guān)系計(jì)算第一個(gè)打磨軌跡點(diǎn)的實(shí)際位姿；2)根據(jù)第一個(gè)打磨軌跡點(diǎn)的法向和打磨帶上打磨工具點(diǎn)的法向，可以確定一個(gè)變換矩陣t，打磨軌跡點(diǎn)通過(guò)這個(gè)變換矩陣，可以實(shí)現(xiàn)其法向和打磨工具點(diǎn)的法向平行；pi'＝t·pi7.打磨軌跡點(diǎn)的規(guī)劃算法為機(jī)器人加持工件加工的軌跡規(guī)劃的算法，算法步驟可以描述為：根據(jù)每一個(gè)打磨軌跡點(diǎn)的法向和打磨工具點(diǎn)的法向平行、打磨軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)和打磨工具點(diǎn)的坐標(biāo)重合，得到每個(gè)打磨軌跡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變換矩陣t，則每個(gè)打磨軌跡點(diǎn)經(jīng)過(guò)矩陣計(jì)算，得到目標(biāo)點(diǎn)的位姿，再換算成機(jī)器人工具坐標(biāo)系的位姿，表示成： (ut1ut2...utn)；8.根據(jù)機(jī)器人控制器型號(hào)，將序列(ut1ut2...utn)轉(zhuǎn)換成控制器規(guī)定的指令格式，導(dǎo)出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。本發(fā)明方法生成的機(jī)器人程序，只需要人工微調(diào)位置即可使用，降低了示教難度。在本發(fā)明方法中，提出了機(jī)器人加持工件加工的算法，解決了機(jī)器人末端姿態(tài)點(diǎn)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)末端不一致的情況下機(jī)器人的離線軌跡規(guī)劃問(wèn)題。生成的機(jī)器人程序中，只含有末端姿態(tài)點(diǎn)相對(duì)于外部參考坐標(biāo)系下的位姿信息，不含有機(jī)器人的關(guān)節(jié)信息，因此當(dāng)機(jī)器人用戶(hù)坐標(biāo)系變化時(shí)，在機(jī)器人工作空間允許、機(jī)器人和夾具、工件裝配情況一致的前提下，該程序可以復(fù)用，而不會(huì)導(dǎo)致加工軌跡錯(cuò)誤。附圖說(shuō)明圖1是機(jī)器人本體、夾具、工件裝配圖。其中，1為機(jī)器人本體，2為工件夾具，3為打磨工件。圖2是樣條曲線離散示意圖。圖3是插補(bǔ)點(diǎn)的法向和切向計(jì)算示意圖。圖4是坐標(biāo)系法向?qū)φ疽鈭D。圖5是機(jī)器人加持工件打磨的位姿規(guī)劃算法流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例：本發(fā)明以六關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人加持水龍頭打磨為例，說(shuō)明本發(fā)明方法的實(shí)施步驟：1.將六關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人加持水龍頭的裝配體模型導(dǎo)入三維建模軟件中，使機(jī)器人底座零點(diǎn)位于裝配體坐標(biāo)系原點(diǎn)，使機(jī)器人坐標(biāo)系的x軸正方向指向裝配體坐標(biāo)系的x軸正方向，機(jī)器人坐標(biāo)系的y軸正方向指向裝配體坐標(biāo)系的y軸正方向，則機(jī)器人坐標(biāo)系的z軸正方向指向裝配體坐標(biāo)系的z軸正方向，這樣機(jī)器人坐標(biāo)系和裝配體坐標(biāo)系的原點(diǎn)和方向完全一致；2.在本例子中，直接使用機(jī)器人的默認(rèn)工具坐標(biāo)系，那么工具參數(shù)為(0.00.00.00.00.00.0)；3.在本例子中，建立的用戶(hù)坐標(biāo)系的姿態(tài)值為(1812.03-515.121520.03-171.490180)4.在被打磨工件(水龍頭)上繪制一條打磨曲線；5.在本例中，繪制的打磨曲線有6個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)，插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)序列如表1，以其中一個(gè) 插補(bǔ)點(diǎn)為例，計(jì)算這個(gè)點(diǎn)的單位切向量和單位法向量，結(jié)果如表2；表1插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)序列點(diǎn)序號(hào)xyzp01742.7075.751624.68p11726.1771.321625.76p21781.7467.451627.18p31800.8061.671628.73p41817.6751.241630.12p51828.1734.501630.90表2點(diǎn)p0的單位切向量和單位法向量點(diǎn)序號(hào)切向量法向量p0(0.97363-0.221630.05407)(-0.07078-0.093620.99309)6.先使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到一個(gè)初始關(guān)節(jié)位置，再進(jìn)行法向?qū)φ?jì)算，得到的結(jié)果如表3：表3初始關(guān)節(jié)位置和法向?qū)φY(jié)果項(xiàng)機(jī)器人關(guān)節(jié)值/deg初始關(guān)節(jié)位置(10-2030507010)法向?qū)φY(jié)果(1.5612-20.064641.740480.532979.7800-14.6539)7.進(jìn)行打磨時(shí)，各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)器人位姿序列如表4所示：表4機(jī)器人位姿序列打磨點(diǎn)機(jī)器人位姿p0(993.04-240.221139.86-85.38102.4784.50)p1(992.28-216.301131.80-86.03100.7984.85)p2(990.18-210.431160.22-86.45106.5586.52)p3(989.82-240.591232.15-86.64121.5587.56)p4(996.92-348.591328.095-87.26147.7786.40)p5(986.63-330.411326.88-84.60147.4898.98)當(dāng)前第1頁(yè)12