一种基于工件模型的机器人作业任务生成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于工件模型的机器人作业任务生成方法，通过提取待加工工件的加工轨迹数据利用三维仿真空间显示机器人的运动轨迹，利用人机交互式手段设置机器人的运动轨迹和位姿数据，而后建立机器人运动学模型并根据位姿数据求解机器人运动数据，最终根据机器人运动数据生成机器人作业文件。本发明专利技术的机器人作业任务生成方法能实现工业机器人作业文件的快速生成，能对机器人和工件的模型进行逼真灵活地显示，所支持的机器人种类不受限制而且可以支持多机器人编程，还可以支持工业中常见的复杂曲线编程，能大大提高工业生产效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工业机器人
，具体涉及一种基于工件模型的机器人作业任务生成方法。
技术介绍
机器人作业任务的生成，一般是从待加工工件的CAD模型获得机器人运动轨迹数据，然后利用智能编程由后台程序自动生成机器人作业文件。一般的思路为先建立仿真三维空间，用于显示工件和机器人的模型，同时提供用户设置机器人运动位姿的方式。现有的机器人作业任务生成方法多是采用一种直观的解决方案：使用成熟的三维CAD软件如AutoCAD、SolidWorks等软件提供的三维场景，并针对几种固定的机器人编写运动学算法求解机器人运动数据。然而，这种方案存在以下缺点：①支持的机器人种类非常有限；②CAD软件对计算机性能要求高，运行耗时长；③使用第三方平台开发会导致软件开放度不高。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术针对工业机器人的作业任务，提供一种基于工件模型的机器人作业任务生成方法，能够在人机交互性较强的三维仿真空间中提供一种更加高效和灵活的机器人作业任务。技术方案：为实现上述目的，本专利技术中基于工件模型的机器人作业任务生成方法，通过从待加工工件的CAD模型中提取加工轨迹数据，再利用三维仿真空间，根据加工轨迹数据设置机器人的运动位姿，再利用机器人的运动位姿数据通过机器人运动学方程求解获得机器人的运动数据，最后根据运动数据生成作业文件。具体包括以下步骤：(1)获取工件模型中的加工轨迹数据本专利技术中采用的工件模型是CAD的数据交换文件，即DXF文件，由于DXF文件中的数据可以ASCII码形式呈现，采用高级程序语言C++对DXF文件中的实体段中的信息进行解析可以获得所需的加工轨迹数据。在获得的加工轨迹数据中有直线，圆和圆弧的原始数据，其中直线为二维图元，存在于世界坐标系中，不需要经过坐标系转换即可使用。三维图元(如圆和圆弧)存在于对象坐标系中，此类轨迹需要进行坐标系间的转换而生成世界坐标系中的数据。由于后续进行数据显示时采用了OpenGL提供的轨迹显示方式，所以需要将世界坐标 系WCS中的轨迹数据进行插补，以获得可以在世界坐标系中进行显示的轨迹类型。(2)建立三维仿真空间，使用虚拟现实建模语言建立待加工工件和机器人的三维实体模型并在三维仿真空间中显示，利用所述插补后的加工轨迹数据在三维仿真空间中显示待加工工件的三维轨迹，根据所述待加工工件的三维轨迹设置机器人的运动位姿。在获得加工轨迹数据在世界坐标系WCS中的数据后，需要建立三维仿真环境以对轨迹进行显示，有利于高效设置机器人的运动轨迹。三维仿真空间是在计算机上生成作业文件的基础，仿真环境的首要任务显示仿真机器人和工件的三维实体模型以提供运动的实体和目标。三维场景模块是以开源软件库OpenGL为基础进行开发的，本专利技术中通过调用OpenGL提供的一系列三维场景建立功能在计算机上生成三维场景，使用C++编写的程序不仅可以显示机器人和工件的三维实体模型，而且可以将获得的运动轨迹进行显示。本专利技术中采用虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，即VRML)对建立机器人和待加工工件的三维实体模型并进行渲染，VRML是一种标准的语言，其模型的各参数均可用程序语言进行读取并显示；使用OpenGL中提供函数接口在三维场景中显示机器人的运动轨迹。运动位姿包括位置和姿态，其中位置通过目标轨迹体现，本专利技术中提出了一种灵活且高效地设置机器人运动的目标轨迹和姿态的方式。机器人运动目标轨迹的设置通过选择三维仿真环境中现有轨迹实现，但是由于计算机呈现的二维平面在选择三维空间中的轨迹时需要进行平面的切换，操作十分复杂。本专利技术中选择轨迹的方式具体实现为通过将OpenGL中的三维轨迹转换为Windows平面上的二维轨迹，然后，在程序中读取鼠标的实时位置，通过鼠标与二维轨迹的距离远近来给轨迹显示不同的颜色，用户可在轨迹颜色改变后点击鼠标从而确定选择该二维轨迹。最终，将二维轨迹转换为OpenGL中的三维轨迹，即可获得机器人运动的目标轨迹，这大大降低了用户选择轨迹的复杂度。对于目标姿态的设定，由于确定机器人末端坐标系的姿态即可确定机器人的姿态，因此本专利技术中主要通过设置机器人末端坐标系中x轴、y轴和z轴的方向来确定。本专利技术中提出了两种模式生成机器人姿态：自动生成和用户设置。第一种的实现方法是在用户确定所采用的机器人作业方式后即可确定姿态如何由多个曲面的约束关系生成，然后由预定的程序根据对应的约束关系自动计算出姿态的数据。第二种方法是通过用户的设置方式，此方法的主要思想是直接设置机器人末端坐标系的x轴和y轴的轴向来确定机器人姿态，用户可以通过选择三维仿真环境中对应的轨迹来确定x轴和y轴，用户所选择的轨迹的方向即为x轴或y轴 的方向。此外，用户还可以通过直接输入坐标系的x轴和y轴的方向的参数来确定，而z轴可以通过x轴和y轴通过常见的右手定则求得。至此，可以确定机器人运动的目标位姿。(3)通过机器人三维实体模型建立运动学方程并求解机器人运动数据在本方法中采用关节型机器人的建模方法，此种方法的优点在于可以建立通用的运动学建模模块，通过用户载入的仿真机器人模型可以自动建立机器人的运动学模型，从而达到可以支持的机器人种类不受限制，并且可以完成多个机器人作业的任务。该种建模方法首先将机器人的各个可以独立运动的连杆分离，在每个连杆上建立坐标系，各坐标系用于确定连杆与上一连杆间的平移与旋转，在设定连杆的旋转轴和轴向后可确定本连杆在旋转时的旋转中心轴和旋转方向，故可获得连杆i相对于上一个连杆i-1的坐标系关系i-1Ti，故可建立机器人学中的运动学方程为0Tj＝0T1*1T2*...*j-1Tj(假设机器人由j个关节)，由该方程可以求解机器人的运动数据。对于不同类型的机器人可以通过读取模型中的坐标轴数量确定机器人的轴数，从而建立不同机器人的运动学方程完成不同种类的机器人的运动数据求解，达到本专利技术中支持的机器人编程种类不受限制的效果。(4)作业文件的自动编写在获得了运动数据，即机器人运动的类型及运动过程中关键点的各关节角数据后便可编写机器人作业文件，本专利技术中采用的作业文件的编写方式是使用高级程序语言编写的后台程序自动生成的方式，采用此种方式可以高效地完成机器人的作业任务，并且由于不需要编程人员的参与，将有效地减少编程中的错误。此外，当加工轨迹数量较多或者轨迹为复杂轨迹时，编程的效率将明显提高且难度大大降低。该方式中首先需要确定机器人每条运动指令的类型，如直线运动或圆弧运动，运动指令的类型可以通过在步骤(2)中设置的目标轨迹类型进行确定。其次，需要确定该轨迹中运动的关键点处机器人各关节的数据，关键点是由机器人的运动轨迹所确定，对于直线运动，机器人需要确定的关键点为直线的两个端点，而对于圆弧运动，机器人需要确定的关键点为圆弧的起始点、终止点和任意一个中间点。利用用户设置的目标位姿和步骤(3)中的机器人运动学方程即可求得机器人在该关键点的各关节角。有益效果：本专利技术中基于工件模型的机器人作业任务生成方法，以工件模型中包含的轨迹数据为基础，根据用户设置的机器人目标轨迹确定运动类型，并根据用户所设置 的机器人位姿和机器人运动学方程并计算出关键点数据得到机器人的运动数据，最后根据运动数据利用作业文本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于工件模型的机器人作业任务生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）获取待加工工件在数据交换文件中的加工轨迹数据，将该加工轨迹数据进行坐标系转换后再进行插补得到插补后的加工轨迹数据；（2）建立三维仿真空间，使用虚拟现实建模语言建立待加工工件和机器人的三维实体模型并在三维仿真空间中显示，利用所述插补后的加工轨迹数据在三维仿真空间中显示待加工工件的三维轨迹，根据所述待加工工件的三维轨迹设置机器人的运动位姿；（3）根据机器人的三维实体模型构建机器人的运动学方程，根据机器人的运动位姿利用运动学方程求解机器人的运动数据；（4）根据所述机器人的运动数据生成作业文件。

【技术特征摘要】
1.一种基于工件模型的机器人作业任务生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）获取待加工工件在数据交换文件中的加工轨迹数据，将该加工轨迹数据进行坐标系转换后再进行插补得到插补后的加工轨迹数据；（2）建立三维仿真空间，使用虚拟现实建模语言建立待加工工件和机器人的三维实体模型并在三维仿真空间中显示，利用所述插补后的加工轨迹数据在三维仿真空间中显示待加工工件的三维轨迹，根据所述待加工工件的三维轨迹设置机器人的运动位姿；（3）根据机器人的三维实体模型构建机器人的运动学方程，根据机器人的运动位姿利用运动学方程求解机器人的运动数据；（4）根据所述机器人的运动数据生成作业文件。2.根据权利要求1所述的机器人作业任务生成方法，其特征在于，步骤（1）中待加工工件在在数据交换文件中的加工轨迹数据是指待加工工件的图形边界信息，图形边界信息包含不同类型的基本图元，若图元类型为点，则获取其对应坐标；若图元类型为圆弧，则获取圆心坐标、半径、起始角、终止角和方向向量；若图元类型为直线，则获取其起始点和终止点；若图元类型为圆，则获取其圆心坐标、半径和方向向量。3.根据权利要求2所述的机器人作业任务生成方法，其特征在于，步骤（1）对加工轨迹数据进行坐标转换是指将加工轨迹数据由对象坐标系转换为世界坐标系，即利用对象坐标系和世界坐标系之间的相对位置关系完成加工轨迹数据的坐标转换，确定对象坐标系和世界坐标系之间的相对位置关系，具体包括：以任意单位长的向量作为对象坐标系的Z轴，利用任意轴算法确定对象坐标系的X轴，具体为：判断对象坐标系的Z轴是否靠近正或负的...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘亚辉，戴先中，邢继生，王政伟，郭哲，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32