本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)機(jī)器人通常工作范圍有限，難以滿足長距離物料搬運、多機(jī)床上下料、大件物品的裝配噴涂等應(yīng)用場景的需求。為了擴(kuò)大其工作范圍，一種方式是增加工業(yè)機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)尺寸，但這種方式需要更大的伺服、減速器和本體，導(dǎo)致成本的迅速攀升，此外大尺寸工業(yè)機(jī)器人精度有所欠缺，靈活度也不夠高，難以滿足精密應(yīng)用的要求；另一種方式是把工業(yè)機(jī)器人放置在導(dǎo)軌上，通過附加的導(dǎo)軌平移擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍，這種方式成本相對較低、精度較高，尤其適合長距離物料搬運、多機(jī)床上下料等用途，也是目前實際應(yīng)用較多的方案。

現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人配合導(dǎo)軌使用時，工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌大多分開單獨控制，也就是工業(yè)機(jī)器人由機(jī)器人控制器控制，導(dǎo)軌由plc或類似的運動控制器控制，工業(yè)機(jī)器人控制器和導(dǎo)軌控制器通過數(shù)字io信號的方式建立通訊，這種方案的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，對工業(yè)機(jī)器人控制器沒有特別的要求；缺點是成本高，需要配置導(dǎo)軌的運動控制器，另外工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌不是協(xié)同運動，工作節(jié)拍低，一些復(fù)雜的空間軌跡也無法實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提供一種工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立多個坐標(biāo)系，包括導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b和工具坐標(biāo)系t。

具體地，導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b和工具坐標(biāo)系t之間關(guān)系如下：

其中，tt^obj為工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；為工件坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系得轉(zhuǎn)換矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，在導(dǎo)軌安裝完成后為一個常值矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由導(dǎo)軌位移p決定；tt^b為機(jī)器人基座和工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由機(jī)器人dh參數(shù)、各軸角度以及工具參數(shù)決定。

步驟s2，路徑規(guī)劃：確定機(jī)器人工具坐標(biāo)系t在工件坐標(biāo)系obj下的路徑。

路徑的類型包括直線、圓弧、樣條等形式，通過示教的方式確定路徑的起始點、中間關(guān)鍵點的位置信息，再采用插值的方式可以獲取路徑上任一點對應(yīng)的tt^obj。

步驟s3，速度規(guī)劃：根據(jù)用戶的設(shè)置、工藝的需求和機(jī)器人性能約束，確定工具坐標(biāo)系t沿路徑的速度值vt。

步驟s4，速度映射：根據(jù)工具坐標(biāo)系速度vt求得機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度。

其中，工具坐標(biāo)系沿路徑的速度其中，j為工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運動鏈的雅克比矩陣，由機(jī)器人各軸角度和導(dǎo)軌的位置求得；為機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度構(gòu)成的向量，根據(jù)可以得到機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度，j^-1為雅克比矩陣的廣義逆。

步驟s5，根據(jù)步驟s4中的速度映射獲得工業(yè)機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度后，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值。

具體地，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值，其中δt為工業(yè)機(jī)器人控制器的控制周期。

步驟s6，計算工具坐標(biāo)系t的期望位置pos_real和計算位置pos_cal的差值δpos＝pos_real-pos_cal，并將其作為補(bǔ)償值添加到下一個周期vt中，vt_new＝vt+k×δpos,其中k為補(bǔ)償增益。其中，pos_real來自期望路徑的插值，pos_cal根據(jù)工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運動鏈的運動學(xué)正解求得。

根據(jù)本發(fā)明實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，不同于現(xiàn)有方案的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌分開單獨控制，本發(fā)明中工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌均由機(jī)器人控制器控制，工業(yè)機(jī)器人控制器與機(jī)器人和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動器通過ethercat總線建立連接，具有高性能、高擴(kuò)展性、低成本的優(yōu)點。機(jī)器人控制器同時給機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動器發(fā)送位置指令，這種方案取消了單獨的導(dǎo)軌控制器，可以降低硬件成本。

本發(fā)明實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，具有以下有益效果：

1、取消了導(dǎo)軌控制器，充分利用機(jī)器人控制器的計算資源，降低硬件成本；

2、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃，共同運動，可以構(gòu)成復(fù)雜的空間路徑；

3、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌可以同步運動，縮短完成一段路徑或任務(wù)的周期，提高任務(wù)節(jié)拍，提升工作效率。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法的流程圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌各坐標(biāo)系示意圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立多個坐標(biāo)系，通過這些坐標(biāo)系可以建立運動學(xué)關(guān)系。坐標(biāo)系如圖3所示。其中，多個坐標(biāo)系包括導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b、工具坐標(biāo)系t、p為導(dǎo)軌位移。

具體地，通過轉(zhuǎn)換矩陣可以建立各個坐標(biāo)系之間的關(guān)系，導(dǎo)軌基坐標(biāo)系tb、世界坐標(biāo)系w、工件坐標(biāo)系obj、機(jī)器人基坐標(biāo)系b和工具坐標(biāo)系t之間關(guān)系如下：

其中，tt^obj為工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；為工件坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系得轉(zhuǎn)換矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，在導(dǎo)軌安裝完成后為一個常值矩陣；為導(dǎo)軌基坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由導(dǎo)軌位移p決定；tt^b為機(jī)器人基座和工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，由機(jī)器人dh參數(shù)、各軸角度以及工具參數(shù)決定。

步驟s2，路徑規(guī)劃：確定機(jī)器人工具坐標(biāo)系t在工件坐標(biāo)系obj下的路徑。其中，路徑的類型包括直線、圓弧、樣條等形式，通過示教的方式確定路徑的起始點、中間關(guān)鍵點的位置信息，再采用插值的方式可以獲取路徑上任一點對應(yīng)的tt^obj。

步驟s3，速度規(guī)劃：根據(jù)用戶的設(shè)置、工藝的需求和機(jī)器人性能約束，確定工具坐標(biāo)系t沿路徑的速度值vt。其中，vt＝min{v設(shè)置，v工藝，v約束}。

步驟s4，速度映射：根據(jù)工具坐標(biāo)系速度vt求得機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度。其中，工具坐標(biāo)系沿路徑的速度其中，j為工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運動鏈的雅克比矩陣，由機(jī)器人各軸角度和導(dǎo)軌的位置求得；為機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度構(gòu)成的向量，根據(jù)可以得到機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度，j^-1為雅克比矩陣的廣義逆。

步驟s5，根據(jù)步驟s4中的速度映射獲得工業(yè)機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的速度后，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值。

具體地，根據(jù)獲取工業(yè)機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的下一周期的位置值，其中δt為工業(yè)機(jī)器人控制器的控制周期。

步驟s6，采用數(shù)值積分方式容易造成數(shù)值誤差和累計誤差，這在工業(yè)機(jī)器人這種高精度設(shè)備中是不允許的。為了消除誤差，計算工具坐標(biāo)系t的期望位置pos_real和計算位置pos_cal的差值δpos＝pos_real-pos_cal，并將其作為補(bǔ)償值添加到下一個周期vt中，vt_new＝vt+k×δpos,其中k為補(bǔ)償增益。通過迭代修正的方式提高路徑跟蹤精度。其中，pos_real來自期望路徑的插值，pos_cal根據(jù)工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌構(gòu)成的運動鏈的運動學(xué)正解求得。

通過上述各個步驟，即可構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌的協(xié)同規(guī)劃方法。

根據(jù)本發(fā)明實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，不同于現(xiàn)有方案的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌分開單獨控制，本發(fā)明中工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌均由機(jī)器人控制器控制，工業(yè)機(jī)器人控制器與機(jī)器人和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動器通過ethercat總線建立連接，具有高性能、高擴(kuò)展性、低成本的優(yōu)點。機(jī)器人控制器同時給機(jī)器人各個軸和導(dǎo)軌的伺服驅(qū)動器發(fā)送位置指令，這種方案取消了單獨的導(dǎo)軌控制器，可以降低硬件成本。

本發(fā)明實施例的工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃方法，具有以下有益效果：

1、取消了導(dǎo)軌控制器，充分利用機(jī)器人控制器的計算資源，降低硬件成本；

2、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌協(xié)同規(guī)劃，共同運動，可以構(gòu)成復(fù)雜的空間路徑；

3、工業(yè)機(jī)器人和導(dǎo)軌可以同步運動，縮短完成一段路徑或任務(wù)的周期，提高任務(wù)節(jié)拍，提升工作效率。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求極其等同限定。