一种工业机器人协同运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种工业机器人协同运动控制方法，采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，需要确立协同插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡；协同插补的输入由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，协同插补的输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动。本发明专利技术针对具有时间和轨迹约束的协同运动，提出了主运动单元轨迹与协同轨迹同步插补，再利用协同变换计算出从运动单元真实目标位姿的插补方法，保证了协同轨迹的完全可控性；针对仅具有时间约束的同步运动，提出了直接同步插补两个运动单元轨迹的插补方法。本发明专利技术所提供的协同运动控制方法具备用于实际的可行性。

A cooperative motion control method for industrial robots

The invention discloses a cooperative motion control method of industrial robot, which adopts the cooperative interpolation method based on master-slave relationship for motion control, needs to establish the input and output of the cooperative interpolation, carry out the master-slave synchronous speed planning, and carry out the cooperative trajectory transition; the input of the cooperative interpolation is obtained by the user's cooperative motion instructions after being parsed by the decoder and then processed by the group control module, The output of collaborative interpolation directly acts on the servo driver to control the rotation of the robot's joint motor. According to the cooperative motion with time and track constraints, the invention puts forward the synchronous interpolation method of the main motion unit track and the cooperative track, and then calculates the real target pose of the slave motion unit by using the collaborative transformation to ensure the complete controllability of the cooperative track; for the synchronous motion with only time constraints, it puts forward the interpolation method of the direct synchronous interpolation of the two motion unit tracks Method. The cooperative motion control method provided by the invention has the feasibility of being used in practice.

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人协同运动控制方法
本专利技术属于机械控制
，涉及到工业机器人，具体涉及一种工业机器人协同运动控制方法。
技术介绍
随着人力成本的提高和制造业对自动化、智能化发展的需求，工业机器人在焊接、码垛、搬运、喷涂和装配等各类工业生产中得到了广泛的应用。工业机器人的应用规模不断扩大的同时，对机器人的技术要求也在不断提高。工业生产中对复杂加工工艺的要求使得传统的单机器人工作模式难以胜任。例如，在机器人进行工件焊接时，往往要求工件能够变换姿态，以使机器人能够以更加合理的位置和角度对工件进行焊接；在对体积和重量较大的工件进行搬运的场合，往往需要多台机器人协同工作才能够胜任。因此，机器人系统目前正从单机器人任务模式朝着多机器人的协同工作模式升级。机器人协同运动控制，由于涉及到多个机器人的闭环运动控制链，比单机器人控制起来要复杂许多。一是对机器人的精度要求更高，普通的单机器人只有自身精度问题，而多机器人协同，除了自身精度还要保证机器人之间的空间位置精度，并且这些精度问题都会对协同配合效果产生很大的影响；二是对轨迹控制的复杂度增大，单机器人只有自身轨迹问题，而多机器人还有机器人之间的相对轨迹问题；三是随着机器人控制数量的增多，对控制算法的效率和控制器的性能的要求也更高。协同运动控制技术主要包括两个方面：一是建立起多个机器人之间空间位置关系，这一般是通过基坐标系标定来实现；二是协同插补算法，协同插补算法中比较关键的技术是协同轨迹的过渡技术和多个运动单元的同步速度规划技术。多机器人同步速度规划是实现机器人间同步运动和协同运动的基础。目前关于多机器人同步速度规划方面的相关研究还不多。在实际应用中，物理上实现机器人同步的方式有两种：单控制器方式和多控制器方式。单控制器在控制器内部实现多台机器人的同步；多控制器则需要由专门的通信线路来进行机器人间的同步。使用多控制器的方式时，物理上进行需要一些额外的线路，而且还需要将数据发送到每个机器人控制器，存在因通信延时而造成多个机器人信号不同步的问题，如此对协同轨迹的可控性不足。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种工业机器人协同运动控制方法，针对具有时间和轨迹约束的协同运动，提出了主运动单元轨迹与协同轨迹同步插补，再利用协同变换计算出从运动单元真实目标位姿的插补方法，保证了协同轨迹的完全可控性；针对仅具有时间约束的同步运动，提出了直接同步插补两个运动单元轨迹的插补方法。对协同插补中协同轨迹过渡的问题，提出了基于Bezier样条的过渡方法，对协同轨迹的位置和姿态进行过渡，并介绍了过渡样条与原轨迹进行拼接成新的轨迹的方法。本专利技术所提供的协同运动控制方法具备用于实际的可行性。为此，本专利技术采用了以下技术方案：一种工业机器人协同运动控制方法，采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，需要确立协同插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡；协同插补的输入由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，协同插补的输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动。优选地，协同运动的插补流程包括插补输入、插补预处理和实时插补输出；对于协同插补的多组轨迹输入，主机器人输入其真实目标轨迹，从机器人则以协同轨迹作为其输入；插补预处理，是对于需要过渡的轨迹插入过渡段，计算出轨迹的长度以便进行速度规划时将速度表示成轨迹长度，并对轨迹进行速度预处理，特别是存在过渡时，速度预处理需要对一整段连续轨迹进行处理；在进行实时插补输出时，如果在该段轨迹完全插补完前，对机器人的速度倍率进行了修调，则目标速度发生了改变，就需要重新进行同步速度规划，否则只需要在该段轨迹插补预处理后进行一次即可；主从的插补输出每个插补周期都要进行，与插补输入对应的，主机器人插补输出的是主机器人真实的目标位姿，而从机器人插补出来的是相对位姿，需要利用协同逆变换求出从机器人的真实目标位姿，最后将主从机器人的位姿转化成关节值一次性发送给伺服驱动器，完成一个周期的插补控制。优选地，如果两个运动单元的轨迹不存在约束关系，直接插补两个运动单元的真实目标轨迹，之后进行同步速度规划，实现两个运动单元间的同步运动。优选地，对协同轨迹直接进行插补，协同轨迹的过渡采用Bezier样条；所述协同轨迹是笛卡尔空间的一段轨迹，包含位置和姿态两方面，协同轨迹的过渡涉及位置过渡和姿态过渡。优选地，所述位置过渡采用基于三次Bezier样条的位置过渡方法，首先确定过渡点和控制点，过渡长度取两段轨迹中较短轨迹的一半乘以比例过渡系数cnt,cnt的取值范围是0-100％，由机器人的指令来具体确定；其次，进行轨迹的拼接，以样条的中点将Bezier样条一分为二，样条的前半段与第一段轨迹拼接成新的第一段轨迹，样条的后半段与第二段轨迹拼接成新的第二段轨迹；轨迹拼接后方便后续进行速度预处理和速度规划。优选地，所述姿态过渡采用基于三次Bezier样条曲线的姿态过渡方法，首先，确定过渡点和控制点，姿态过渡长度以及控制点的选取采用与直线-直线位置过渡一样的方法；其次，对轨迹进行拼接，拼接规则与位置过渡的拼接规则保持一致。优选地，根据进行同步速度规划对象的特征，采用两种不同的同步速度规划方法；一种是基于扩展联动轴的同步速度规划方法，即将一个运动单元的所有轴作为另一个运动单元的扩展轴，然后对所有轴一起进行速度规划；另一种是基于扩展分组的同步速度规划方法，即将两个运动单元作为不同的组，对每个组分别进行速度规划，最后进行组与组的速度同步。优选地，在给定的限制条件下完成给定轨迹的速度规划，其目标包括两类：第一类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间最短，第二类是使得以规划的速度通过该轨迹时所需要的时间等于指定值。优选地，基于最短时间的速度规划方法采用梯形加减速的速度形式，梯形速度分为匀加速-匀速-匀减速三段。优选地，基于给定时间的速度规划用于确保机器人在指定的时间内完成给定轨迹的运动，基于给定时间的速度规划必须满足给定的时间大于等于规划的最短时间，包括两种形式：其一，只要求整段规划的时间等于给定值，对于中间各个阶段不做要求；其二，要求加速段、匀速段和减速段三段的时间都分别等于该阶段的给定值；对这两种形式给定时间的速度规划均采用梯形速度规划进行。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)针对具有时间和轨迹约束的协同运动，提出了主运动单元轨迹与协同轨迹同步插补，再利用协同变换计算出从运动单元真实目标位姿的插补方法，保证了协同轨迹的完全可控性；针对仅具有时间约束的同步运动，提出了直接同步插补两个运动单元轨迹的插补方法。(2)对机器人位置和姿态的样条过渡进行了研究，并提出了样条过渡轨迹的拼接方法和带样条过渡的连续轨迹的速度预处理方法；将过渡方法应用到协同轨迹，实现了直线-直线、直线-圆弧和圆弧-圆弧协同轨迹的Bezier样条过渡。(3)针对机器人与轴数较少的变位机提出了基于扩展联动轴规划方法，针对多机器人提出了基于扩展分组的规划方法，并对同步速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，需要确立协同插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡；协同插补的输入由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，协同插补的输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动。/n

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：采用基于主从关系的协同插补方法进行运动控制，需要确立协同插补的输入输出，进行主从同步速度规划，以及进行协同轨迹过渡；协同插补的输入由用户协同运动指令经过译码器解析然后由组控制模块处理得到，协同插补的输出直接作用于伺服驱动器控制机器人关节电机转动。


2.根据权利要求1所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：协同运动的插补流程包括插补输入、插补预处理和实时插补输出；对于协同插补的多组轨迹输入，主机器人输入其真实目标轨迹，从机器人则以协同轨迹作为其输入；插补预处理，是对于需要过渡的轨迹插入过渡段，计算出轨迹的长度以便进行速度规划时将速度表示成轨迹长度，并对轨迹进行速度预处理，特别是存在过渡时，速度预处理需要对一整段连续轨迹进行处理；在进行实时插补输出时，如果在该段轨迹完全插补完前，对机器人的速度倍率进行了修调，则目标速度发生了改变，就需要重新进行同步速度规划，否则只需要在该段轨迹插补预处理后进行一次即可；主从的插补输出每个插补周期都要进行，与插补输入对应的，主机器人插补输出的是主机器人真实的目标位姿，而从机器人插补出来的是相对位姿，需要利用协同逆变换求出从机器人的真实目标位姿，最后将主从机器人的位姿转化成关节值一次性发送给伺服驱动器，完成一个周期的插补控制。


3.根据权利要求2所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：如果两个运动单元的轨迹不存在约束关系，直接插补两个运动单元的真实目标轨迹，之后进行同步速度规划，实现两个运动单元间的同步运动。


4.根据权利要求1所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：对协同轨迹直接进行插补，协同轨迹的过渡采用Bezier样条；所述协同轨迹是笛卡尔空间的一段轨迹，包含位置和姿态两方面，协同轨迹的过渡涉及位置过渡和姿态过渡。


5.根据权利要求4所述的一种工业机器人协同运动控制方法，其特征在于：所述位置过渡采用基于三次Bezier样条的位置过渡方法，首先确定过渡点和控制点，过渡长度取两段轨迹中较短轨迹的一半乘以比例过渡系数c...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宝，唐小琦，周向东，徐意，陈天航，饶阿龙，肖千红，田勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42