基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法及装置，方法包括：根据机器人运动学模型和关节运动角度范围确定喷涂机器人的可达工作空间；根据动力学模型建立表征驱动关节负载大小的动力学评价指标；根据待喷涂工件的工作表面形状与尺寸和机器人末端执行器与工作表面的距离，确定喷涂机器人的任务工作空间范围，并在范围内等距均匀选择多个位点，以各位点对应的动力学评价指标的平均值作为表征区域整体负载水平的评价指标；在可达工作空间范围内，寻找整体负载评价指标的最低点，通过坐标转换确定喷涂机器人与待喷涂工件的相对安装位置。该方法可以减少因负载剧烈变化而引起的运动精度波动，保障自动化喷涂系统的表面涂装质量。

【技术实现步骤摘要】
基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法及装置
本专利技术涉及工业机器人应用
，特别涉及一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法及装置。
技术介绍
表面喷涂是航空航天和汽车制造领域的关键技术，如果表面涂层质量不过关，在复杂环境中长期使用将会引起涂层的老化、腐蚀甚至脱落，从而带来安全隐患。为提升表面喷涂质量，以喷涂机器人为核心设备的自动化喷涂系统已经广泛应用于各大制造领域，相对于人工喷涂而言，机器人的喷涂效率更高、安全性更有保障，同时机器人的设计、优化、调试、应用等过程均可通过理论研究实现流程化、精准化。出于运行安全与控制方便的考虑，在对给定的喷涂任务进行机器人结构设计或者对通用机器人进行选型时，必须保证机器人末端执行器的运动范围能够完全覆盖工作任务要求且留有安全余量，因此喷涂机器人的可达工作空间总是要大于任务工作空间的范围。在机器人设计或选型完成后，工件与机器人的相对安装间距决定了机器人实际执行任务时的运动范围在其全部可达工作空间中的相对位置。机器人是复杂的多轴耦合机电系统，其驱动关节的负载具有显著的时变特征，当末端执行器的位姿改变时，各支链姿态与惯量相应变化，从而使得电机需要提供的驱动力矩发生变化。在工作空间中的某些位置上，机器人的驱动负载可能会显著上升，提高运行成本，动力学行为的剧烈变化为控制精度保证带来困难，甚至可能引起机器人失稳。在工程实际和现有研究中还没有一种考虑机器人动力学负载特性的工作空间优化与安装调试方法。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法，该方法可以减少因负载剧烈变化而引起的运动精度波动，保障自动化喷涂系统的表面涂装质量。本专利技术的另一个目的在于提出一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定装置。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法，包括：S1，根据机器人运动学模型和关节运动角度范围确定喷涂机器人的可达工作空间；S2，根据动力学模型建立表征驱动关节负载大小的动力学评价指标；S3，根据待喷涂工件的工作表面形状与尺寸和机器人末端执行器与工作表面的距离，确定喷涂机器人的任务工作空间范围，在所述任务工作空间范围内等距均匀选择多个位点，以各位点对应的动力学评价指标的平均值作为表征区域整体负载水平的评价指标；S4，在所述可达工作空间范围内，寻找所述整体负载水平的评价指标的最低点，通过坐标转换确定喷涂机器人与所述待喷涂工件的相对安装位置。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定装置，包括：第一确定模块，用于根据机器人运动学模型和关节运动角度范围确定喷涂机器人的可达工作空间；第二确定模块，用于根据动力学模型建立表征驱动关节负载大小的动力学评价指标；第三确定模块，用于根据待喷涂工件的工作表面形状与尺寸和机器人末端执行器与工作表面的距离，确定喷涂机器人的任务工作空间范围，在所述任务工作空间范围内等距均匀选择多个位点，以各位点对应的动力学评价指标的平均值作为表征区域整体负载水平的评价指标；第四确定模块，用于在所述可达工作空间范围内，寻找所述整体负载水平的评价指标的最低点，通过坐标转换确定喷涂机器人与所述待喷涂工件的相对安装位置。本专利技术实施例的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法及装置，有益效果为：充分考虑机器人的驱动负载时变特征，在机器人设计或者选型完成后，通过调整机器人与工件的相对安装间距，使得机器人在实际执行任务时的运动范围总是处于可达工作空间中负载水平较低的区域，从而减少因负载剧烈变化而引起的运动精度波动，保障自动化喷涂系统的表面涂装质量。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法流程图；图2为根据本专利技术一个实施例的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法流程框图；图3为根据本专利技术一个实施例的五轴混联喷涂机器人结构示意图；图4为根据本专利技术一个实施例的机器人的可达工作空间示意图；图5为根据本专利技术一个实施例的待喷涂工件及任务工作空间示意图；图6为根据本专利技术一个实施例的区域整体负载评价指标在工作空间中的分布；图7为根据本专利技术一个实施例的机器人与工件的相对安装位置示意图；图8为根据本专利技术一个实施例的使用本专利技术确定的安装位置安装机器人后的典型轨迹的驱动负载曲线与对照组的驱动负载曲线；图9为根据本专利技术一个实施例的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定装置结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法及装置。首先将参照附图描述根据本专利技术实施例提出的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法。图1为根据本专利技术一个实施例的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法流程图。图2为根据本专利技术一个实施例的基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法流程框图。结合图1和图2所示，该基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法包括以下步骤：步骤S1，根据机器人运动学模型和关节运动角度范围确定喷涂机器人的可达工作空间。进一步地，基于矢量环法建立喷涂机器人的正运动学模型，根据给定的机构几何参数与驱动关节的运动角度范围，求取机器人末端执行器的运动范围，即为机器人的可达工作空间SR。步骤S2，根据动力学模型建立表征驱动关节负载大小的动力学评价指标。进一步地，基于虚功原理建立喷涂机器人的动力学模型，并将之写成具有惯量项、离心力与科氏力项和重力项等分量的形式：其中，τ＝[τ1τ2…τn]T为各个驱动关节的驱动力矩组成的向量，q＝[θ1θ2…θn]T为各个驱动关节的角度值，n为机器人的驱动关节数目，M(q)为机器人的惯量矩阵，为离心力与科氏力项，G(q)为重力项为各个驱动关节的角加速度值，为各个驱动关节的角速度值。对于非轻质、非高速运动的喷涂机器人而言，离心力与科氏力项一般可忽略。基于得到的机器人动力学模型，为表征机器人在某一位姿下可能具有的最大驱动负载，设计某一驱动关节的负载水平评价指标如下：其中，i为机器人的驱动关节序号，Mij为惯量矩阵的第i行第j列元素，Gi为重力项的第i行元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，根据机器人运动学模型和关节运动角度范围确定喷涂机器人的可达工作空间；/nS2，根据动力学模型建立表征驱动关节负载大小的动力学评价指标；/nS3，根据待喷涂工件的工作表面形状与尺寸和机器人末端执行器与工作表面的距离，确定喷涂机器人的任务工作空间范围，在所述任务工作空间范围内等距均匀选择多个位点，以各位点对应的动力学评价指标的平均值作为表征区域整体负载水平的评价指标；/nS4，在所述可达工作空间范围内，寻找所述整体负载水平的评价指标的最低点，通过坐标转换确定喷涂机器人与所述待喷涂工件的相对安装位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于关节驱动负载的喷涂机器人安装位置确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据机器人运动学模型和关节运动角度范围确定喷涂机器人的可达工作空间；
S2，根据动力学模型建立表征驱动关节负载大小的动力学评价指标；
S3，根据待喷涂工件的工作表面形状与尺寸和机器人末端执行器与工作表面的距离，确定喷涂机器人的任务工作空间范围，在所述任务工作空间范围内等距均匀选择多个位点，以各位点对应的动力学评价指标的平均值作为表征区域整体负载水平的评价指标；
S4，在所述可达工作空间范围内，寻找所述整体负载水平的评价指标的最低点，通过坐标转换确定喷涂机器人与所述待喷涂工件的相对安装位置。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1进一步包括：
基于矢量环法建立喷涂机器人的正运动学模型，根据给定的机构几何参数与驱动关节的运动角度范围，计算机器人末端执行器的运动范围，将所述运动范围作为喷涂机器人的可达工作空间。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2进一步包括：
基于虚功原理建立喷涂机器人的动力学模型，喷涂机器人的动力学模型表达式为：



其中，τ＝[τ1τ2…τn]T为各个驱动关节的驱动力矩组成的向量，q＝[θ1θ2…θn]T为各个驱动关节的角度值，n为机器人的驱动关节数目，M(q)为机器人的惯量矩阵，为离心力与科氏力项，G(q)为重力项，为各个驱动关节的角加速度值，为各个驱动关节的角速度值。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2进一步包括：所述驱动关节负载大小的动力学评价指标用于表征喷涂机器人在某一位姿下可能具有的最大驱动负载，其中，某一驱动关节的负载水平评价指标为：



其中，i为机器人的驱动关节序号，Mij为惯量矩阵的第i行第j列元素，Gi为重力项的第i行元素，为全部驱动关节中最大角加速度的设计值，g＝9.8m/s2为重力加速度。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3进一步包括：
根据所述待喷涂工件的表面形状与尺寸，以及机器人末端执行器与工作表面的喷涂间距要求，并考虑机器人运动精度及安全限制，确定机器人末端执行器在至少满足当前工作需求时应具有的最小运动范围，所述最小运动范围为所述机器人的任务工作空间范围。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴军，刘子麟，王立平，于广，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11