激光3D精密切割双机器人协同作业方法技术

本发明专利技术提供了一种激光3D精密切割双机器人协同作业方法，包括以下步骤：S100采用两台六自由度工业机器人，建立两台机器人协同作业系统的三维基准坐标系；S200根据三维的空间物体位姿描述方法以及三维坐标系的变换方程，对两台机器人进行建模分析；S300采用数学表达式表述机器人在切割作业中的运动关系；S400根据机器人的正向运动学方程，求解确定两台机器人协同作业的有效工作空间域。本发明专利技术方法通过对机器人的位姿描述以及三维坐标系的变换，采用数学表达式描述机器人在的切割作业中运动关系，以设置机器人软限位的方式进行避免机器人间的干涉，增加加工空间范围，提高了碰撞检测的效率，解决了双机器人系统之间轨迹规划的避障问题，提高生产柔性。提高生产柔性。提高生产柔性。

【技术实现步骤摘要】
激光3D精密切割双机器人协同作业方法


[0001]本专利技术涉及激光加工与机器人
，特别涉及一种激光3D精密切割双机器人协同作业方法。

技术介绍

[0002]近年来，激光切割技术在创新和发展上取得了巨大的进步，机器人在激光切割领域发挥着越来越重要的作用，充分体现在提高切割作业效率和提升切割产品的可靠性等方面。
[0003]在实际生产过程中，机器人的激光切割作业，常常会遇到一些形状较为复杂物件的空间切割任务，这时仅使用一台机器人作业往往难以达到目的或者作业效率降低明显，因此很多时候需要采用两台机器人同时对物件进行激光切割作业。
[0004]目前采用双机器人作业的场合，为了避免两者相互干涉发生碰撞受损，往往不得不降低切割速度。还有一种解决方案是给两台机器人之间划分恒定不变且不存在重叠的工作空间范围，以使用两者互不干涉，这大大减少了生产加工时的柔性。为提高生产柔性，保证切割质量的一致性，实现切割方式上的归一化，有必要通过多台机器人相互协同作业解决这一问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种激光3D精密切割双机器人协同作业方法，包括以下步骤：
[0006]S100采用两台六自由度工业机器人，建立两台机器人协同作业系统的三维基准坐标系；
[0007]S200根据三维的空间物体位姿描述方法以及三维坐标系的变换方程，对两台机器人进行建模分析；
[0008]S300采用数学表达式表述机器人在切割作业中的运动关系；
[0009]S400根据机器人的正向运动学方程，求解确定两台机器人协同作业的有效工作空间域。
[0010]可选的，依据空间切割轨迹的复杂程度，以及实际切割作业的应用情况，对空间切割轨迹进行分类分析；对拐点所形成的轨迹线进行深入分析，建立了拐点处轨迹线的数学模型；
[0011]对两台机器人之间可能发生干涉的位置搭建排斥场模型，采用改进的碰撞检测算法进行碰撞预测，根据碰撞预测修改两台机器人的空间切割轨迹规划进行碰撞规避。
[0012]可选的，依据分离轴理论，对有效工作空间域内对两台机器人采用OBB包围盒算法处理，检测两台机器人之间的安全距离。
[0013]可选的，搭建包含S100-S400步骤的两台机器人切割协同作业系统，以该系统控制两台机器人进行实际切割作业实验，通过作业实验进行验证和调整。
[0014]可选的，在S200步骤中，所述三维的空间物体位姿描述方法如下：
[0015]建立机器人的固定坐标系，假设固定坐标系与三维基准坐标系方位一致，两者仅原点不重合，则有
[0016]P
Ak
＝P
Bk
+Z
AB
[0017]上式中，P
Ak
表示机器人的k点在三维基准坐标系的位置矢量；P
Bk
表示机器人的k点在固定坐标系的位置矢量；Z
AB
表示固定坐标系相对于三维基准坐标系的位移矢量；
[0018]将固定坐标系的三维轴方向矢量采用三维基准坐标系的矢量进行表达形成以下姿态矩阵：
[0019][0020]上式中，F
AB
表示固定坐标系三维轴向矢量相对于三维基准坐标系的矢量表达姿态矩阵；f
11
、f
12
和f
13
分别表示固定坐标系第一维轴矢量在三维基准坐标系的三维坐标值；f
21
、f
22
和f
23
分别表示固定坐标系第二维轴矢量在三维基准坐标系的三维坐标值；f
31
、f
32
和f
33
分别表示固定坐标系第三维轴矢量在三维基准坐标系的三维坐标值；
[0021]当固定坐标系跟随机器人的动作发生方向变化时，所述方向变化通过姿态矩阵的旋转运算进行描述，从而实现对机器人的位姿描述。
[0022]可选的，在S200步骤中，所述三维坐标系的变换方程采用欧拉角坐标系姿态矩阵表示如下：
[0023][0024]上式中，F
AB
’
表示欧拉角坐标系姿态矩阵；α表示固定坐标系绕其Z轴旋转的角度；β表示固定坐标系绕其Y轴旋转的角度；γ表示固定坐标系绕其X轴旋转的角度。
[0025]可选的，采用OBB包围盒算法检测两台机器人之间的安全距离的处理过程如下：
[0026]建立机器人的协方差矩阵：
[0027][0028]上式中，C表示协方差矩阵；G()表示协方差矩阵中的各维度协方差参数；其中，各维度协方差参数的表达通式为：
[0029][0030]上式中，G(x,y)表示(x,y)维度的协方差参数；n表示样本点数量；x
i
表示第i个样本点的x维度值；x0表示所有样本点的x维度平均值；y
i
表示第i个样本点的y维度值；y0表示所有样本点的y维度平均值；
[0031]将协方差矩阵进行对角化变换，求出协方差矩阵的特征向量和特征值，利用特征向量得出OBB的坐标轴；
[0032]若存在一个OBB的坐标轴使得两台机器人在该轴上的投影互不重叠，则表示两台机器人之间不会发生碰撞，存在安全距离；否则需要调整机器人的位姿。
[0033]可选的，所述两台机器人的在切割作业中的运动关系的数学表达式为：
[0034]V1＝T(V2+V
t
)
[0035]上式中，V1表示第一台机器人在其固定坐标系中的运动速度；T表示两台机器人的固定坐标系之间的四维转换矩阵；V2表示第二台机器人在其固定坐标系中的运动速度；V
t
表示第一台机器人相对于第二台机器人的相对运动速度；
[0036]通过算法进行同步方式来实现两台机器人速度上的同步。
[0037]可选的，所述排斥场模型中对两台机器人的运动轨迹进行时序关联，根据时序模拟两台机器人沿各自的运动轨迹动作的过程，若预判两台机器人将在某一时刻同时到达某一点时，通过改变其中一台机器人该时刻的轨迹点进行碰撞规避，改变对应时刻轨迹点采用在前一时刻轨迹点做临时停顿或者改变局部轨迹方式实现。
[0038]可选的，通过激光切割检测，实现采集两双机器人作业数据，以实时检测的作业数据与排斥场模型中的模拟过程数据进行对比，评估机器人切割作业的实时偏差，若实时偏差达到偏差阈值，则发出风险提示。
[0039]本专利技术方法通过对机器人的位姿描述以及三维坐标系的变换，采用数学表达式描述机器人在的切割作业中运动关系，以设置机器人软限位的方式进行避免机器人间的干涉，增加加工空间范围，提高了碰撞检测的效率，解决了双机器人系统之间轨迹规划的避障问题，提高生产柔性。
[0040]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光3D精密切割双机器人协同作业方法，其特征在于，包括以下步骤：S100采用两台六自由度工业机器人，建立两台机器人协同作业系统的三维基准坐标系；S200根据三维的空间物体位姿描述方法以及三维坐标系的变换方程，对两台机器人进行建模分析；S300采用数学表达式表述机器人在切割作业中的运动关系；S400根据机器人的正向运动学方程，求解确定两台机器人协同作业的有效工作空间域。2.根据权利要求1所述的激光3D精密切割双机器人协同作业方法，其特征在于，依据空间切割轨迹的复杂程度，以及实际切割作业的应用情况，对空间切割轨迹进行分类分析；对拐点所形成的轨迹线进行深入分析，建立了拐点处轨迹线的数学模型；对两台机器人之间可能发生干涉的位置搭建排斥场模型，采用改进的碰撞检测算法进行碰撞预测，根据碰撞预测修改两台机器人的空间切割轨迹规划进行碰撞规避。3.根据权利要求1所述的激光3D精密切割双机器人协同作业方法，其特征在于，依据分离轴理论，对有效工作空间域内对两台机器人采用OBB包围盒算法处理，检测两台机器人之间的安全距离。4.根据权利要求1所述的激光3D精密切割双机器人协同作业方法，其特征在于，搭建包含S100-S400步骤的两台机器人切割协同作业系统，以该系统控制两台机器人进行实际切割作业实验，通过作业实验进行验证和调整。5.根据权利要求1所述的激光3D精密切割双机器人协同作业方法，其特征在于，在S200步骤中，所述三维的空间物体位姿描述方法如下：建立机器人的固定坐标系，假设固定坐标系与三维基准坐标系方位一致，两者仅原点不重合，则有P
Ak
＝P
Bk
+Z
AB
上式中，P
Ak
表示机器人的k点在三维基准坐标系的位置矢量；P
Bk
表示机器人的k点在固定坐标系的位置矢量；Z
AB
表示固定坐标系相对于三维基准坐标系的位移矢量；将固定坐标系的三维轴方向矢量采用三维基准坐标系的矢量进行表达形成以下姿态矩阵：上式中，F
AB
表示固定坐标系三维轴向矢量相对于三维基准坐标系的矢量表达姿态矩阵；f
11
、f
12
和f
13
分别表示固定坐标系第一维轴矢量在三维基准坐标系的三维坐标值；f
21
、f
22
和f
23
分别表示固定坐标系第二维轴矢量在三维基准坐标系的三维坐标值；f
31
、f
32
和f
33
分别表示固定坐标系第三维轴矢量...

【专利技术属性】
技术研发人员：李英杰，陈勇，乐庸辉，杨亚涛，袁健，陈世华，陶凯，
申请(专利权)人：柳州宏德激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：