一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法技术

本发明专利技术涉及一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法，该插补方法是根据所需的插补路径，按照等时间间隔插补的方式确定轮廓，然后根据工业机器人的逆运动学方程获取各关节在一个插补步长内的位移，进一步将其换算到各关节每走一步对应的脉冲数和脉冲频率，进而根据脉冲数和频率制作定位数据表，同步运行各关节，实现直线插补。本发明专利技术所提出的工业机器人直线插补方法，实现了工业机器人在运动过程中，插补轴数不受限制，插补比例系数是时变的；并且该直线插补方法对可编程控制器PLC硬件的要求较低，只需要提供运动控制最基本的高速脉冲通道以及数据表的运行方式，此外，还可以在任意结构形式的工业机器人上实现任意轴数的直线插补。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法
本专利技术涉及工业机器人的插运方法，特别是一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法。
技术介绍
工业机器人在搬运、码垛、焊接、包装等场合的应用越来越普遍，技术越来越成熟，但是目前通用型机器人的成本依然居高不下，因而迫切需要一些经济型的工业机器人，相比通用型的工业机器人，其功能相对单一，价格低廉。价格低决定了其不大可能选用基于PC架构的、高成本的控制器，此时选用通用的运动控制型可编程控制器PLC作为经济型工业机器人的控制器，就是一个很不错的选择。运动控制型可编程控制器PLC有专门的脉冲输出通道，可以通过对驱动器输出高速脉冲实现单轴的运动控制。通常情况下，当用户要求进行直线插补和圆弧甚至是曲线插补时，需要可编程控制器PLC提供对应的专用插补指令。但实际问题在于，对于绝大多数可编程控制器PLC，一般只提供单轴高速脉冲输出指令，较少的可编程控制器PLC机型提供直线插补指令。可编程控制器PLC自带的插补指令对使用场合有诸多限制，例如，插补轴数一般为两轴，插补只适合于关节均为直线运动的情况，即两轴间插补的脉冲比例固定不变。而对于既有移动关节又有转动关节的工业机器人，或者均为转动关节的工业机器人，如圆柱坐标、球坐标、链式坐标等形式机器人，这样的插补指令不能满足需求。此外对插补性能要求越高，可编程控制器PLC的价格就越高，这也是目前可编程控制器PLC存在的局限。对于如图1所示的XY直角坐标型工业机器人，其各关节均为移动关节，当需要在直线起点和终点之间实现直线运动时，X、Y两轴的脉冲频率比例是始终不变的，这种情况下的插补比较简单，可以通过带直线插补功能的可编程控制器PLC实现，但是带插补功能的可编程控制器PLC价格往往比不带插补功能的高出许多。此外，随着关节数的增加，可编程控制器PLC自带的插补功能也不能满足要求，多数可编程控制器PLC可实现的插补轴数仅为两轴。对于如图2所示的圆柱坐标型工业机器人，其既有移动关节又有转动关节，当需要实现在笛卡尔坐标系内的起点和终点间的直线运动时，在运动过程中的每个时刻，两个关节所需的脉冲频率却是一直在变化的，这种情况下，可编程控制器PLC自带的直线插补功能就无法满足要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法，以克服现有可编程控制器PLC自身插补性能的局限性。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法，提供一工业机器人系统，该工业机器人系统包括至少M个关节，其中M为大于等二的整数；每个关节均由任意实现圆周运动或直线运动的传动机构传动；由带高速脉冲输出通道且支持数据表运行方式的可编程控制器PLC控制所述每个关节的定位运动；其特征在于，按照以下步骤实现：S01：在笛卡尔坐标下，通过示教手段，根据工业机器人正运动学方程获得待插补直线运动的插补起点A及插补终点B的工具中心点TCP坐标，且将所述插补起点A的坐标表示为(x1,y1,z1)，将所述插补终点B的坐标表示为(x2,y2,z2)，同时得到所述插补起点A和所述插补终点B两点间的距离S：S02：将所述工具中心点TCP在所述笛卡尔坐标系下的运动速度表示为V，并得到插补运行的总时间T：将所需的插补时间步长表示为ΔT，从所述插补起点A到所述插补终点B所需的理论插补步数为N0：且将所得结果进行四舍五入后作为N0的值；由于存在机械臂的惯量以及高速脉冲输出口对初始脉冲频率的限制，在插补过程的首尾分别设置加速段和减速段，令加速段和减速段的时间相等，且均表示为T0，从而得到笛卡尔坐标系下的加速度a：加减速段所需的插补步数Na：且将所得结果进行四舍五入后作为Na的值，则实际插补步数应为N：N＝N0+Na；其中，从第0步到第Na步为加速段，从第Na+1步到第N0步为恒速段，从第N0+1到第N步为减速段；S03：根据所述步骤S02中加减速特性相关参数计算每一插补点Ni(i＝0～N)与所述插补起点A的距离Si：其中，所述插补点Ni为第i个插补点,也即插补过程第i步插补；S04：以所述插补起点A的坐标(x1,y1，z1)开始，在插补线段AB上的任一插补点Ni(i＝0～N)在笛卡尔坐标系下的坐标(xi,yi,zi)，为其中ΔX＝x2-x1，ΔY＝y2-y1，ΔZ＝z2-z1；S05：确定每个关节的脉冲当量δm，其中m为关节编号,表示第m个关节，其中0＜m≤M；并根据工业机器人逆运动学方程，分别求出每一插补点Ni(i＝0～N)坐标(xi,yi,zi)对应的每个关节的角位移θm,i或线位移Lm,i；且基于该位移量，求出每个关节对应的高速脉冲通道的目标脉冲数Pm,i:或且对Pm,i取整后作为目标脉冲；将各高速脉冲通道中当前插补点的目标脉冲数Pm,i与上一插补点的目标脉冲数Pm,i-1的相减，得到各通道每插补一步需要输出的脉冲增量ΔPm,i：ΔPm,i＝Pm,i-Pm,i-1；由于是等时间间隔插补，即每一步都是在ΔT内完成的，进一步得到每插补一步对应关节的脉冲频率F：S06：由于可编程控制器PLC在硬件上存在限制的最低脉冲频率Fmin，则以最低频率Fmin插补一步的最小脉冲量ΔPmin为：ΔPmin＝Fmin×ΔT；若插补过程中单步的脉冲增量小于最小脉冲量ΔPmin，则对目标脉冲数Pm,i进行补偿，即每次计算完脉冲增量ΔPm,i，都与最小脉冲量ΔPmin进行比较，若出现满足0＜|ΔPm,i|＜ΔPmin的插补点，则对目标脉冲数Pm,i进行补偿，补偿为最小脉冲量ΔPmin，并记录补偿次数；直到遇到|ΔPm,i|≥2ΔPmin的插补点，开始对目标脉冲数Pm,i进行反向补偿，以抵消之前增加的脉冲数；S07：每完成一个插补点，通过插补点指针i判断插补计算是否完成；若完成插补计算，跳转步骤S08，若未完成则跳转所述步骤S03，计算下一插补点；S08：定位数据表包括控制代码、脉冲频率和目标脉冲数三部分，根据不同的可编程控制器PLC数据表指令，将对应计算出来的脉冲频率和目标脉冲值按照顺序提取出来，并确定控制代码，分别生成特定格式的定位数据表，以控制各高速脉冲通道按照各自的定位数据表同步输出高速脉冲，实现直线插补。在本专利技术一实施例中，所述的基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法适用于任意数量的可编程控制器PLC高速脉冲输出通道,并且适用于任意实现圆周运动或直线运动的传动机构。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术所提出的工业机器人直线插补方法对可编程控制器PLC自身的插补特性没有任何要求，可编程控制器PLC只需要提供运动控制最基本的高速脉冲通道以及数据表的运行方式即可，可适用于任意数量的可编程控制器PLC高速脉冲输出通道，并且适用于任意实现圆周运动或直线运动的传动机构，极大地降低开发经济型工业机器人的硬件成本；2.本专利技术所提出的工业机器人直线插补方法是依据机器人的正、逆运动学方程，进行坐标与各关节位移的转化的，因而插补轴数不受限制，在任意结构形式的工业机器人上均可实现任意轴数的直线插补，可移植性好，具有极高的推广价值；3.本专利技术所提出的工业机器人直线插补方法是一种等时间间隔的插补，可编程控制器通过定时器即可实现等时间步长的控制，编程更容易。4.本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法，提供一工业机器人系统，该工业机器人系统包括至少M个关节，其中M为大于或等二的整数；每个关节均由任意实现圆周运动或直线运动的传动机构传动；由带高速脉冲输出通道且支持数据表运行方式的可编程控制器PLC控制所述每个关节的定位运动;其特征在于，按照以下步骤实现：S01：在笛卡尔坐标下，通过示教手段，根据工业机器人正运动学方程获得所述待插补直线运动的插补起点A及插补终点B的工具中心点TCP坐标，且将所述插补起点A的坐标表示为，将所述插补终点B的坐标表示为，同时得到所述插补起点A和所述插补终点B两点间的距离S：；S02：将所述工具中心点TCP在所述笛卡尔坐标系下的运动速度表示为V，并得到插补运行的总时间T：；将所需的插补时间步长表示为，进而得到从所述插补起点A到所述插补终点B所需的理论插补步数：；由于存在机械臂的惯量以及高速脉冲输出口对初始脉冲频率的限制，在插补过程的首尾分别设置加速段和减速段，令加速段和减速段的时间相等，且均表示为，从而得到笛卡尔坐标系下的加速度a：，加减速段所需的插补步数：，实际插补步数应为：；其中，从第0步到第步为加速段，从第步到第步为恒速段，从第到第步为减速段；S03：根据所述步骤S02中加减速特性相关参数计算每一插补点与所述插补起点A的距离：，其中，所述插补点为第个插补点,也即插补过程第步插补；S04：以所述插补起点A的坐标开始，在插补线段AB上的任一插补点在笛卡尔坐标系下的坐标，为，，，其中，，；S05：确定每个关节的脉冲当量，其中m为关节编号,表示第m个关节，其中；并根据工业机器人逆运动学方程，分别求出每一插补点坐标对应的每个关节的角位移或线位移；且基于该位移量，求出每个关节对应的高速脉冲通道的目标脉冲数:或；将各高速脉冲通道中当前插补点的目标脉冲数与上一插补点的目标脉冲数的相减，得到各通道每插补一步需要输出的脉冲增量：；由于是等时间间隔插补，即每一步都是在内完成的，进一步得到每插补一步对应关节的脉冲频率F：；S06：由于可编程控制器PLC在硬件上存在限制的最低脉冲频率，则以最低频率插补一步的最小脉冲量为：；若插补过程中单步的脉冲增量小于最小脉冲量，则对目标脉冲数进行补偿，即每次计算完脉冲增量，都与最小脉冲量进行比较，若出现满足的插补点，则对目标脉冲数进行补偿，补偿为最小脉冲量，并记录补偿次数；直到遇到的插补点，开始对目标脉冲数进行反向补偿，以抵消之前增加的脉冲数；S07：每完成一个插补点，通过插补点指针i判断插补计算是否完成；若完成插补计算，跳转步骤S08，若未完成则跳转所述步骤S03，计算下一插补点；S08：定位数据表包括控制代码、脉冲频率和目标脉冲数三部分，根据不同的可编程控制器PLC数据表指令，将对应计算出来的脉冲频率和目标脉冲值按照顺序提取出来，并确定控制代码，分别生成特定格式的定位数据表，以控制各高速脉冲通道按照各自的定位数据表同步输出高速脉冲，实现直线插补。...

【技术特征摘要】
1.一种基于可编程控制器的工业机器人直线插补方法，提供一工业机器人系统，该工业机器人系统包括至少M个关节，其中M为大于等二的整数；每个关节均由任意实现圆周运动或直线运动的传动机构传动；由带高速脉冲输出通道且支持数据表运行方式的可编程控制器PLC控制所述每个关节的定位运动；其特征在于，按照以下步骤实现：S01：在笛卡尔坐标下，通过示教手段，根据工业机器人正运动学方程获得待插补直线运动的插补起点A及插补终点B的工具中心点TCP坐标，且将所述插补起点A的坐标表示为(x1,y1,z1)，将所述插补终点B的坐标表示为(x2,y2,z2)，同时得到所述插补起点A和所述插补终点B两点间的距离S：S02：将所述工具中心点TCP在所述笛卡尔坐标系下的运动速度表示为V，并得到插补运行的总时间T：将所需的插补时间步长表示为ΔT，从所述插补起点A到所述插补终点B所需的理论插补步数为N0：且将所得结果进行四舍五入后作为N0的值；由于存在机械臂的惯量以及高速脉冲输出口对初始脉冲频率的限制，在插补过程的首尾分别设置加速段和减速段，令加速段和减速段的时间相等，且均表示为T0，从而得到笛卡尔坐标系下的加速度a：加减速段所需的插补步数Na：且将所得结果进行四舍五入后作为Na的值，则实际插补步数应为N：N＝N0+Na；其中，从第0步到第Na步为加速段，从第Na+1步到第N0步为恒速段，从第N0+1到第N步为减速段；S03：根据所述步骤S02中加减速特性相关参数计算每一插补点Ni(i＝0～N)与所述插补起点A的距离Si：其中，所述插补点Ni为第i个插补点,也即插补过程第i步插补；S04：以所述插补起点A的坐标(x1,y1,z1)开始，在插补线段AB上的任一插补点Ni(i＝0～N)在笛卡尔坐标系下的坐标(xi,yi,zi)，为其中ΔX＝x2-x1，ΔY＝y2-y1，ΔZ＝z2-z1；S05：确定每个关节的脉冲当量δm，其中m为关节编号,表示第m个关节，其中0＜m≤M...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴海彬，李实懿，施方圆，叶婷婷，陈建鹏，姚立纲，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35