控制工业机器人曲面匀速运动的方法技术

本发明专利技术提供的一种控制工业机器人曲面匀速运动的方法，包括以下步骤：S1.对待加工产品的曲面进行采样，获得曲面采样点，对采样点进行拟合，得到特征点，再根据特征点得到三次B样条曲线；S2.对三次B样条曲线进行均匀插值，得到插值点，根据插值点得到控制机械臂末端执行器匀速运动的控制点和控制点法向量；S3.根据控制需求和控制点坐标，得到机械臂末端执行器控制点的位姿矩阵，将位姿矩阵数据转化为机器人可执行的命令，使机器人在固定频率下做匀速曲线运动。通过上述方法，能够生成更加平滑，速度波动更小的运动轨迹，有效避免机器人抖动，保证机器人匀速运动，有助于提高工业机器人的表面加工质量。表面加工质量。表面加工质量。

【技术实现步骤摘要】
控制工业机器人曲面匀速运动的方法


[0001]本专利技术涉及一种工业机器人曲面运动领域，尤其涉及一种控制工业机器人曲面匀速运动的方法。

技术介绍

[0002]目前工业机器人在工业制造与再制造领域的运用越来越广泛，对机器人的控制精度要求也越来越高。在实际的机器人应用场景中，得到的机器人目标运动轨迹往往是一些离散点的集合，若直接将这些离散点输入机器人控制器，产生的机器人运动轨迹不平滑，且具有较大的速度波动。这种不平滑的运动轨迹会引起机器人末端执行器的抖动；此外，在各种增减材表面加工作业中，速度波动会造成减材深度或增材高度不均匀，导致表面加工质量不达标的问题。
[0003]为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种控制工业机器人曲面匀速运动的方法，能够生成更加平滑，速度波动更小的运动轨迹，有效避免机械臂抖动问题，有助于提高工业机器人的表面加工质量。
[0005]本专利技术提供的一种控制工业机器人曲面匀速运动的方法，包括以下步骤：
[0006]S1.对待加工产品的曲面进行采样，获得曲面采样点，对采样点进行拟合，得到特征点，再根据特征点得到三次B样条曲线；
[0007]S2.对三次B样条曲线进行均匀插值，得到插值点，根据插值点得到控制机械臂末端执行器匀速运动的控制点；
[0008]S3.根据控制需求和控制点坐标，得到机械臂末端执行器控制点的位姿矩阵，将位姿矩阵数据转化为机器人可执行的命令，使机器人在固定频率下做匀速曲线运动。
[0009]进一步，步骤S1中，根据如下方法进行曲面采样，获得曲面采样点，
[0010]S11.根据机器人坐标系标定相机参数，建立相机成像几何模型，使用相机扫描待加工产品曲面，获得相对于机器人坐标系的点云数据，将待加工产品的曲面的点云数据录入PCD点云文件中，对PCD点云文件中的数据进行滤波，并将滤波后的PCD点云文件转化为STL文件；
[0011]S12.根据待加工产品位置，在X
‑
Y平面上绘制待加工产品曲面的基础加工区域，再根据打印宽度或切削宽度等加工条件，获得待加工产品的曲面加工路径，在曲面加工路径上，按照一定间隔获取离散点，其中，一定间隔是指机器人工作频率周期和运动速率乘积的5至10倍；
[0012]S13.将离散点投影到STL文件中的三角面片上，得到曲面加工轨迹的采样点，并将采样点所在三角面片的法向量作为采样点的法向量，将采样点和采样点的法向量数据保存至TXT文件。
[0013]进一步，步骤S1中，根据如下方法获得特征点和三次B样条曲线：
[0014]将TXT文件中的采样点输入至拟合程序中，得到特征点，再将特征点按照拟合方程进行拟合，其中，拟合方程为：
[0015][0016]其中，E(u)为B样条曲线方程，u为自变量，范围为[0,1]，P
i
是控制曲线的特征点，F
i,k
(u)是k阶B样条基函数，i表示基函数的序号，k表示基函数的阶数，将TXT文件中的采样点数据输入拟合程序中，得到特征点，再将特征点带入B样条曲线方程中，得到待加工产品曲面的三次B样条曲线：
[0017]P(u)＝P0*F
0,3
(u)+P1*F
1,3
(u)+P2*F
2,3
(u)+P3*F
3,3
(u)
[0018]其中，P(u)为待加工产品曲面的三次B样条曲线方程。
[0019]进一步，步骤S2中，根据如下方法对三次B样条曲线进行均匀插值：
[0020]S21.将P(u)方程简化为三次曲线形式：
[0021]P(u)＝Au3+Bu2+Cu+D
[0022]其中，A、B、C、D的数值根据特征点确定；
[0023]S22.设定三次B样条曲线的起始点为G(0,0,0)，曲线上存在一点E，E点对应的u值为e，在E点处有曲线长度s，当E点为终点时，s为三次B样条曲线的长度，曲线长度通过数值积分计算；
[0024][0025]其中，L(e)为曲线长度公式，为变上限定积分，表示点E到起始点G的长度，e为积分上限，范围为[0,1]，为P(u)的导数，为P(u)的导数，为P(u)的导数，表示E点的切线斜率，w
i
和x
i
为积分权重；
[0026]S23.设定机器人机械臂末端执行器运动速率为v，根据机器人机械臂末端执行器运动的固定频率f，得到机器人机械臂末端执行器运动的时间步长Δt＝1/f，以时间步长Δt为单位时间，得到单位时间内机器人机械臂末端执行器沿三次B样条曲线的运动路径，以单位时间内的运动路径长度作为各插值点的间隔距离Δs，Δs＝v
·
Δt；
[0027]S24.当点E为终点时，s为三次B样条曲线的长度，设定三次B样条曲线长度范围为[0,s]，在[0,s]内，以Δs为间隔距离进行均匀插值。
[0028]进一步，根据如下方法得到控制点坐标和控制点法向量：
[0029]根据Δs对e＝L
‑1(s)求解，将求解得到的e值带入三次B样条曲线P(u)＝Au3+Bu2+Cu+D中，得到等间距控制点Q(x,y,z)；
[0030]根据e值和控制点相邻的两个采样点的法向量T1(TX1,TY1,TZ1)、T2(TX2,TY2,TZ2)，得到控制点的法向量为M(Mx,My,Mz)＝(1
‑
u)*T1(TX1,TY1,TZ1)+u*T2(TX2,TY2,TZ2)。
[0031]进一步，步骤S3中，根据如下方法得到机械臂末端执行器的位姿矩阵：
[0032]机器人的位姿矩阵T为如下形式：
[0033][0034]其中，p为位置向量，用控制点位置坐标表示，R为旋转矩阵，旋转矩阵的第一、二、三列分别表示各控制点的位姿矩阵在x,y,z方向上的单位方向向量，根据控制需求确定；将旋转矩阵与控制点坐标相结合，得到控制点的位姿矩阵，将控制点的位姿矩阵数据保存到T.txt文件中，将T.txt文件中的数据转化为机器人可执行的命令，使机器人在固定频率f下做匀速曲线运动。
[0035]进一步，根据如下方法得到旋转矩阵R：
[0036]S31.根据控制需求1：机器人末端执行器的x轴与机器人末端的运动方向在同一直线，设定旋转矩阵的x方向与机器人机械臂末端的运动方向在同一直线上，x方向为[r
xx
,r
yx
,r
zx
]＝||(Q
i+1
‑
Q
i
)/l
x
||，其中，l
x
＝||Q
i+1
‑
Q
i
||；
[0037]S32.根据控制需求2：限定相邻控制点法向量夹角的变化范围和控制点法向量与平均法向量夹角的变化范围，使机器人机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种控制工业机器人曲面匀速运动的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.对待加工产品的曲面进行采样，获得曲面采样点，对采样点进行拟合，得到特征点，再根据特征点得到三次B样条曲线；S2.对三次B样条曲线进行均匀插值，得到插值点，根据插值点得到控制机械臂末端执行器匀速运动的控制点；S3.根据控制需求和控制点坐标，得到机械臂末端执行器控制点的位姿矩阵，将位姿矩阵数据转化为机器人可执行的命令，使机器人在固定频率下做匀速曲线运动。2.根据权利要求1所述控制工业机器人曲面匀速运动的方法，其特征在于：步骤S1中，根据如下方法进行曲面采样，获得曲面采样点：S11.根据机器人坐标系标定相机参数，建立相机成像几何模型，使用相机扫描待加工产品曲面，获得相对于机器人坐标系的待加工产品曲面点云数据，将待加工产品曲面的点云数据录入PCD点云文件中，对PCD点云文件中的数据进行滤波，并将滤波后的PCD点云文件转化为STL文件；S12.根据待加工产品位置，在X
‑
Y平面上绘制待加工产品曲面的基础加工区域，再根据打印宽度或切削宽度等加工条件，获得待加工产品的曲面加工路径，在曲面加工路径上，按照一定间隔获取离散点，其中，一定间隔是指机器人工作频率周期和运动速率乘积的5至10倍；S13.将离散点投影到STL文件中的三角面片上，得到曲面加工轨迹的采样点，并将采样点所在三角面片的法向量作为采样点的法向量，将采样点和采样点的法向量数据保存至TXT文件。3.根据权利要求2所述控制工业机器人曲面匀速运动的方法，其特征在于：根据如下方法获得特征点和三次B样条曲线：将TXT文件中的采样点输入至拟合程序中，得到特征点，再将特征点按照拟合方程进行拟合，其中，拟合方程为：其中，E(u)为B样条曲线方程，u为自变量，范围为[0,1]，P
i
是控制曲线的特征点，F
i,k
(u)是k阶B样条基函数，i表示基函数的序号，k表示基函数的阶数，将TXT文件中的采样点数据输入拟合程序中，得到特征点，再将特征点带入B样条曲线方程中，得到待加工产品曲面的三次B样条曲线：P(u)＝P0*F
0,3
(u)+P1*F
1,3
(u)+P2*F
2,3
(u)+P3*F
3,3
(u)其中，P(u)为待加工产品曲面的三次B样条曲线方程。4.根据权利要求1所述控制工业机器人曲面匀速运动的方法，其特征在于：步骤S2中，根据如下方法对三次B样条曲线进行均匀插值：S21.将P(u)方程简化为三次曲线形式：P(u)＝Au3+Bu2+Cu+D其中，A、B、C、D的数值根据特征点确定；S22.设定三次B样条曲线的起始点为G(0,0,0)，曲线上存在一点E，E点对应的u值为e，
在E点处有曲线长度s，当E点为终点时，s为三次B样条曲线的长度，曲线长度通过数值积分计算；其中，L(e)为曲线长度公式，为变上限定积分，表示点E到起始点G的长度，e为积分上限，范围为[0,1]，为P(u)的导数，为P(u)的导数，为P(u)的导数，表示E点的切线斜率，w
i
和x
i
为积分权重；S23.设定机器人机械臂末端执行器运动速率为v，根据机器人机械臂末端执行器运动的固定频率f，得到机器人机械臂末端执行器运动的时间步长Δt＝1/f，以时间步长Δt为单位时间，得到单位时间内机器人机械臂末端执行器沿三次B样条曲线的运动路径，以单位时间内的运动路径长度作为各插值点的间隔距离Δs，Δs＝v
·
Δt；S24.当点E为终点时，s为三次B样条曲线的长度，设定三次B样条曲线长度范围为[0,s]，在[0,s]内，以Δs为间隔距离进行均匀插值。5.根据权利要求4所述控制工业机器人曲面匀速运动的方法，其特征在于：根据如下方法得到控制点坐标和控制点法向量：根据Δs对e＝L
‑1(s)求解，将求解得到的e值带入三次B样条曲线P(u)＝Au3+Bu2+Cu+D中，得到等间距控制点Q(x,y,z)；根据e值和控制点相邻的两个采样点的法向量T1(TX1,TY1,TZ1)、T2(TX2,TY2,TZ2)，得到控制点的法向量为M(Mx,My,Mz)＝(1
‑
u)*T1(TX1,TY1,TZ1)+u*T2(TX2,TY2,TZ2)。6.根据权利要求1所述控制工业机器人曲面匀速运动的方法，其特征在于：步骤S3中，根据如下方法得到机械臂末端执行器的位姿矩阵：机器人的位姿矩阵T为如下形式：其中，p为位置向量，用控制点位置坐标表示，R为旋转矩阵，旋转矩阵的第一、二、三列分别表示各控制点的位姿矩阵在x,y,z方向上的单位方向向量，根据控制需求确定；将旋转矩阵与控制点坐标相结合，得到控制点的位姿矩阵，将控制点的位姿矩阵数据保存到T.txt文件中，将T.txt文件中的数据转化为机器人可执行的命令，使机器人在固定频率f下做匀速曲线运动。7.根据权利要求6所述控制工业机器人曲面匀速运动的方法，其特征在于：根据如下方法得到各控制点的旋转矩阵R：S31.根据控制需求1：机器人末端执行器的x轴与机器...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐倩，张煜珧，郭伏雨，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：