一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法，該插補方法是根據(jù)所需的插補路徑，按照等時間間隔插補的方式確定輪廓，然后根據(jù)工業(yè)機器人的逆運動學(xué)方程獲取各關(guān)節(jié)在一個插補步長內(nèi)的位移，進一步將其換算到各關(guān)節(jié)每走一步對應(yīng)的脈沖數(shù)和脈沖頻率，進而根據(jù)脈沖數(shù)和頻率制作定位數(shù)據(jù)表，同步運行各關(guān)節(jié)，實現(xiàn)直線插補。本發(fā)明所提出的工業(yè)機器人直線插補方法，實現(xiàn)了工業(yè)機器人在運動過程中，插補軸數(shù)不受限制，插補比例系數(shù)是時變的；并且該直線插補方法對可編程控制器PLC硬件的要求較低，只需要提供運動控制最基本的高速脈沖通道以及數(shù)據(jù)表的運行方式，此外，還可以在任意結(jié)構(gòu)形式的工業(yè)機器人上實現(xiàn)任意軸數(shù)的直線插補。
【專利說明】
一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)機器人的插運方法，特別是一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法。

【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)機器人在搬運、碼垛、焊接、包裝等場合的應(yīng)用越來越普遍，技術(shù)越來越成熟，但是目前通用型機器人的成本依然居高不下，因而迫切需要一些經(jīng)濟型的工業(yè)機器人，相比通用型的工業(yè)機器人，其功能相對單一，價格低廉。價格低決定了其不大可能選用基于PC架構(gòu)的、高成本的控制器，此時選用通用的運動控制型可編程控制器PLC作為經(jīng)濟型工業(yè)機器人的控制器，就是一個很不錯的選擇。運動控制型可編程控制器PLC有專門的脈沖輸出通道，可以通過對驅(qū)動器輸出高速脈沖實現(xiàn)單軸的運動控制。通常情況下，當(dāng)用戶要求進行直線插補和圓弧甚至是曲線插補時，需要可編程控制器PLC提供對應(yīng)的專用插補指令。但實際問題在于，對于絕大多數(shù)可編程控制器PLC，一般只提供單軸高速脈沖輸出指令，較少的可編程控制器PLC機型提供直線插補指令。可編程控制器PLC自帶的插補指令對使用場合有諸多限制，例如，插補軸數(shù)一般為兩軸，插補只適合于關(guān)節(jié)均為直線運動的情況，即兩軸間插補的脈沖比例固定不變。而對于既有移動關(guān)節(jié)又有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的工業(yè)機器人，或者均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的工業(yè)機器人，如圓柱坐標(biāo)、球坐標(biāo)、鏈?zhǔn)阶鴺?biāo)等形式機器人，這樣的插補指令不能滿足需求。此外對插補性能要求越高，可編程控制器PLC的價格就越高，這也是目前可編程控制器PLC存在的局限。
[0003]對于如圖1所示的XY直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其各關(guān)節(jié)均為移動關(guān)節(jié)，當(dāng)需要在直線起點和終點之間實現(xiàn)直線運動時，Χ、γ兩軸的脈沖頻率比例是始終不變的，這種情況下的插補比較簡單，可以通過帶直線插補功能的可編程控制器PLC實現(xiàn)，但是帶插補功能的可編程控制器PLC價格往往比不帶插補功能的高出許多。此外，隨著關(guān)節(jié)數(shù)的增加，可編程控制器PLC自帶的插補功能也不能滿足要求，多數(shù)可編程控制器PLC可實現(xiàn)的插補軸數(shù)僅為兩軸。
[0004]對于如圖2所示的圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其既有移動關(guān)節(jié)又有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，當(dāng)需要實現(xiàn)在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的起點和終點間的直線運動時，在運動過程中的每個時刻，兩個關(guān)節(jié)所需的脈沖頻率卻是一直在變化的，這種情況下，可編程控制器PLC自帶的直線插補功能就無法滿足要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法，以克服現(xiàn)有可編程控制器PLC自身插補性能的局限性。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法，提供一工業(yè)機器人系統(tǒng)，該工業(yè)機器人系統(tǒng)包括至少M個關(guān)節(jié)，其中M為大于或等二的整數(shù)；每個關(guān)節(jié)均由任意實現(xiàn)圓周運動或直線運動的傳動機構(gòu)傳動；由帶高速脈沖輸出通道且支持?jǐn)?shù)據(jù)表運行方式的可編程控制器PLC控制所述每個關(guān)節(jié)的定位運動；其特征在于，按照以下步驟實現(xiàn):
501:在笛卡爾坐標(biāo)下，通過示教手段，根據(jù)工業(yè)機器人正運動學(xué)方程獲得所述待插補直線運動的插補起點A及插補終點B的工具中心點TCP坐標(biāo),且將所述插補起點A的坐標(biāo)表示為 (HS) ,將所述插補終點B的坐標(biāo)表示為同時得到所述插補起點A和所述插補終點B兩點間的距離

【權(quán)利要求】
1.一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法，提供一工業(yè)機器人系統(tǒng)，該工業(yè)機器人系統(tǒng)包括至少M個關(guān)節(jié)，其中M為大于或等二的整數(shù)；每個關(guān)節(jié)均由任意實現(xiàn)圓周運動或直線運動的傳動機構(gòu)傳動；由帶高速脈沖輸出通道且支持?jǐn)?shù)據(jù)表運行方式的可編程控制器PLC控制所述每個關(guān)節(jié)的定位運動；其特征在于，按照以下步驟實現(xiàn): 501:在笛卡爾坐標(biāo)下，通過示教手段，根據(jù)工業(yè)機器人正運動學(xué)方程獲得所述待插補直線運動的插補起點A及插補終點B的工具中心點TCP坐標(biāo),且將所述插補起點A的坐標(biāo)表示為將所述插補終點B的坐標(biāo)表示為(?,?,.Z2),同時得到所述插補起點A和所述插補終點B兩點間的距離
502:將所述工具中心點TCP在所述笛卡爾坐標(biāo)系下的運動速度表示為V，并得到插補
g運行的總時間τ:T――;將所需的插補時間步長表示為Λ1*,進而得到從所述插補起點A到

W

T所述插補終點B所需的理論插補步數(shù)
;由于存在機械臂的慣量以及高速脈沖O A/輸出口對初始脈沖頻率的限制，在插補過程的首尾分別設(shè)置加速段和減速段，令加速段和


V減速段的時間相等，且均表示為y,從而得到笛卡爾坐標(biāo)系下的加速度
加減速段所需的插補步數(shù)￥
實際插補步數(shù)應(yīng)為;其中，從第ο步到第
1?步為加速段，從第步到第Jfe步為恒速段，從第H0到第 步為減速段； 503:根據(jù)所述步驟S02中加減速特性相關(guān)參數(shù)計算每一插補點況&二0~_與所述插補起點A的距離:
恒速段其中，所述插補點焉為第I個插補
點，也即插補過程第I步插補； 504:以所述插補起點A的坐標(biāo),JfllZ1)幵始，在插補線段AB上的任一插補點
一AXxS.MxS.Mli=U-在笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)
_
’其中站=1^-1|督-y2-y{M=z2-YS05:確定每個關(guān)節(jié)的脈沖當(dāng)量，其中m為關(guān)節(jié)編號，表示第m個關(guān)節(jié)，其中并根據(jù)工業(yè)機器人逆運動學(xué)方程，分別求出每一插補點霧# = 0~肩)坐標(biāo)對應(yīng)的每個關(guān)節(jié)的角位移或線位移;且基于該位移量，求出每個關(guān)節(jié)對應(yīng)的高速脈沖通道的目標(biāo)脈沖數(shù)
;將各高速脈沖通道中當(dāng)前插補點的目標(biāo)脈沖數(shù)與上一插補點的目標(biāo)脈沖數(shù)的相減，得到各通道每插補一步需要輸出的脈沖增量
由于是等時間間隔插補，即每一步都是在i內(nèi)完成的，進一步得到每插補一步對應(yīng)關(guān)節(jié)的脈沖頻率
506:由于可編程控制器PLC在硬件上存在限制的最低脈沖頻率.廠_,則以最低頻率 插補一步的最小脈沖量ΔΡ—為 APm=F^xAT;若插補過程中單步的脈沖增量小于最小脈沖量則對目標(biāo)脈沖數(shù)!進行補償，即每次計算完脈沖增量Λ?#，都與最小脈沖量進行比較，若出現(xiàn)滿足O < |Λξj < ΔΡ—的插補點，則對目標(biāo)脈沖數(shù)P,-進行補償，補償為最小脈沖量M1.,并記錄補償次數(shù)；直到遇到插補點，開始對目標(biāo)脈沖數(shù)1I1I進行反向補償，以抵消之前增加的脈沖數(shù)； 507:每完成一個插補點，通過插補點指針i判斷插補計算是否完成；若完成插補計算，跳轉(zhuǎn)步驟S08，若未完成則跳轉(zhuǎn)所述步驟S03，計算下一插補點； 508:定位數(shù)據(jù)表包括控制代碼、脈沖頻率和目標(biāo)脈沖數(shù)三部分，根據(jù)不同的可編程控制器PLC數(shù)據(jù)表指令，將對應(yīng)計算出來的脈沖頻率和目標(biāo)脈沖值按照順序提取出來，并確定控制代碼，分別生成特定格式的定位數(shù)據(jù)表，以控制各高速脈沖通道按照各自的定位數(shù)據(jù)表同步輸出高速脈沖，實現(xiàn)直線插補。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法，其特征在于:所述方法適用于任意數(shù)量的可編程控制器PLC高速脈沖輸出通道，并且適用于任意實現(xiàn)圓周運動或直線運動的傳動機構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于可編程控制器的工業(yè)機器人直線插補方法，其特征在于:所述方法在插補運動開始之前已完成插補計算并生成定位數(shù)據(jù)表。
【文檔編號】G05B19/41GK104133424SQ201410408063
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】吳海彬, 李實懿, 施方圓, 葉婷婷, 陳建鵬, 姚立綱 申請人:福州大學(xué)