CN105415363A - 位移装置、机器人及机器人奇异点处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位移装置、机器人及机器人奇异点处理方法，位移装置包括：用于连接机器人的末端法兰(9)且使所述末端法兰(9)沿其线性运动的第一位移杆(8)；沿所述第一位移杆(8)作线性运动的第二位移杆(7)；沿所述第二位移杆(7)作线性运动，用于连接机器人主体的驱动末端的第三位移杆(6)；所述末端法兰(9)相对于所述第一位移杆(8)的线性运动方向、所述第一位移杆(8)相对于所述第二位移杆(7)的线性运动方向及所述第二位移杆(7)相对于所述第三位移杆(6)的线性运动方向相互垂直。本发明提供的位移装置，提高了机器人工作的精确度，并且，避免了机器人在奇异点处出现速度过快的问题。

Description

位移装置、机器人及机器人奇异点处理方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种位移装置、机器人及机器人奇异点处理方法。

背景技术

工业机器人是工业自动化***中重要的部件之一。工业机器人奇异点的处理方法就是机器人应用技术中最主要的技术之一。奇异点问题是工业机器人必然遇到的技术点，一旦机器人遇到奇异点的状态，机器人就会发生关节运动速度骤然变大的现象，从而导致机器人停机甚至带来生产安全问题，所以机器人的控制技术需要规避或处理奇异点。

奇异点状态不仅仅在奇异点位置上，在奇异点周围区域都会产生关节运动速度过大的问题。距离奇异点位置越近，关节运动速度越大。在机器人运行过程中，关节运动速度过快的情况时，机器人需要做出减速动作，甚至需要停机处理，影响较大。

目前，常用的奇异点过渡方法为DLS(Dampedleast-squares，阻尼最小方差)方法，在奇异点过渡过程中，不可避免的会带来积累误差，降低了机器人工作的精度。而申请号为CN103802114A的专利文件，公布了一种工业机器人奇异点处理方法及装置。但是，当机器人运动到奇异点周围区域而未运动至奇异点阈值时，仍然存在因速度过快而导致停机出错的问题。

因此，如何提高精确度，避免在奇异点处出现速度过快的问题，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种位移装置，提高精确度，避免在奇异点处出现速度过快的问题。本发明还公开了一种具有上述位移装置的机器人及机器人奇异点处理方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种位移装置，包括：用于连接机器人的末端法兰且使所述末端法兰沿其线性运动的第一位移杆；沿所述第一位移杆作线性运动的第二位移杆；沿所述第二位移杆作线性运动，用于连接机器人主体的驱动末端的第三位移杆；

所述末端法兰相对于所述第一位移杆的线性运动方向、所述第一位移杆相对于所述第二位移杆的线性运动方向及所述第二位移杆相对于所述第三位移杆的线性运动方向相互垂直。

优选地，上述位移装置中，所述第三位移杆、所述第二位移杆及所述第一位移杆中的两个为滑轨，剩余一个为直线伸缩装置。

优选地，上述位移装置中，所述第三位移杆及所述第二位移杆为滑轨；所述第二位移杆滑动设置于所述第三位移杆上；

所述第一位移杆为直线伸缩装置，其滑动设置于所述第二位移杆上，其驱动端与所述末端法兰连接。

优选地，上述位移装置中，所述直线伸缩装置为直线电机或气缸。

本发明还提供了一种机器人，包括机器人主体及末端法兰，还包括如上述任一项所述的位移装置；

所述末端法兰与所述第一位移杆连接，所述机器人主体的驱动末端与所述第三位移杆连接。

优选地，上述机器人中，所述机器人主体包括依次通过关节连接的基座、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆及第五连杆；

所述第五连杆远离所述第四连杆的一端为所述机器人主体的驱动末端。

优选地，上述机器人中，所述末端法兰上设置有用于安装工具的多个安装孔。

本发明还提供了一种机器人奇异点处理方法，应用如上述任一项所述的位移装置，包括步骤：

1)将机器人的关节转动至初始角度位置，开始运行机器人直线运动程序指令；

2)判断所述机器人是否进入奇异点区域，如果是，进入下一步；如果否，所述机器人继续正常运动；

3)在不考虑所述位移装置的前提下，使用奇异点过渡算法计算所述机器人转动关节下一插补周期需要运动的角度：

求解得出所述机器人的末端由当前运动位置p₁到预定位置p₂之间的运动向量

4)计算机器人的末端从初始位置p₁到运动目标位置p₃需要进行直线运动的运动向量补偿运动的运动向量为

将分解为三个相互垂直的方向的运动距离

控制所述位移装置的第一位移杆、第二位移杆及第三位移杆分别作线性运动，运动距离分别为d₇、d₈和d₉；

根据插补周期及插补算法进行轨迹规划，并发送插补信号至执行器进行运动；

5)判断机器人是否离开奇异点区域：如果没有离开奇异点区域，则进入步骤3)；如果离开奇异点区域，则进入下一步；

6)结束奇异点处理。

优选地，上述机器人奇异点处理方法中，所述步骤5)与所述步骤6)之间还包括步骤56)：

在机器人离开奇异点区域进行正常运动后，设置所述位移装置上的移动距离归零。

优选地，上述机器人奇异点处理方法中，所述位移装置上的移动距离归零方法为：

561)根据第一位移杆、第二位移杆及第三位移杆上直线导轨的运动距离和计算

562)从当前运动位置p₅到运动目标位置p₆的运动向量在不考虑位移装置的前提下机器人的末端运动位置p₄到位置p₆的运动向量为 $\stackrel{\→}{l_z}=\stackrel{\→}{l_3}+\stackrel{\→}{l_4};$

563)根据插补周期及插补算法进行轨迹规划，并发送插补信号至执行器进行运动。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的位移装置，通过设置第一位移杆、第二位移杆及第三位移杆，使其具有三个相互垂直的线性运动方向，达到空间位移方式，以便于达到对机器人在奇异点过渡过程中进行补偿运动，提高了机器人工作的精确度，并且，避免了机器人在奇异点处出现速度过快的问题。

本发明还提供了一种机器人及其机器人奇异点处理方法，具有与上述位移装置同样的技术效果，在此不再详细介绍。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机器人奇异点处理方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的补偿运动的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的补偿运动的运动向量的分解示意图；

图5为本发明实施例提供的位移装置归零运动的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种位移装置，提高精确度，避免在奇异点处出现速度过快的问题。本发明还公开了一种具有上述位移装置的机器人及机器人奇异点处理方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的机器人的结构示意图。

本发明实施例提供了一种位移装置，包括：用于连接机器人的末端法兰9且使末端法兰9沿其线性运动的第一位移杆8；沿第一位移杆8作线性运动的第二位移杆7；沿第二位移杆7作线性运动，用于连接机器人主体的驱动末端的第三位移杆6；末端法兰9相对于第一位移杆8的线性运动方向、第一位移杆8相对于第二位移杆7的线性运动方向及第二位移杆7相对于第三位移杆6的线性运动方向相互垂直。

本发明实施例提供的位移装置，通过设置第一位移杆8、第二位移杆7及第三位移杆6，使其具有三个相互垂直的线性运动方向，达到空间位移方式，以便于达到对机器人在奇异点过渡过程中进行补偿运动，提高了机器人工作的精确度，并且，避免了机器人在奇异点处出现速度过快的问题。

在本实施例中，第三位移杆6、第二位移杆7及第一位移杆8中的两个为滑轨，剩余一个为直线伸缩装置。通过上述设置，使得两个滑轨运动方向与另一个直线伸缩装置的伸缩运动方向相互垂直，避免了三个方向的线向运动相互干涉。当然，也可以将第三位移杆6、第二位移杆7及第一位移杆8均设置为滑轨；或，均设置为直线伸缩装置；或，其中的两个设置为直线伸缩装置，剩余的一个为滑轨。

第三位移杆6及第二位移杆7为滑轨；第二位移杆7滑动设置于第三位移杆6上；第一位移杆8为直线伸缩装置，其滑动设置于第二位移杆7上，其驱动端与末端法兰9连接。即，第二位移杆7可滑动的设置于第三位移杆6上，第一位移杆8可滑动的设置于第二位移杆7上，末端法兰9在第一位移杆8的带动下沿第一位移杆8的延伸方向伸缩运动。通过上述设置，进一步避免了第三位移杆6、第二位移杆7及第一位移杆8相互干涉的情况。也可以使第二位移杆7及第一位移杆8设置为滑轨，而第三位移杆6设置为直线伸缩装置；或者，第三位移杆6及第一位移杆8设置为滑轨，而第二位移杆7设置为直线伸缩装置。在此不再详细介绍且均在保护范围之内。

优选地，直线伸缩装置为直线电机或气缸。通过上述设置，自动调节直线伸缩装置的伸缩运动，有效提高了自动化程度及方便程度。也可以设置为伸缩杆，通过外置驱动器实现其伸缩，完成沿其延伸方向运动的效果。

本发明实施例还提供了一种机器人，包括机器人主体及末端法兰9，还包括如上述任一种位移装置；末端法兰9与第一位移杆8连接，机器人主体的驱动末端与第三位移杆6连接。由于上述位移装置具有上述技术效果，具有上述位移装置的机器人也应具有同样的技术效果，在此不再一一累述。

机器人主体包括依次通过关节连接的基座10、第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3、第四连杆4及第五连杆5；第五连杆5远离第四连杆4的一端为机器人主体的驱动末端。即，本发明实施例中的机器人，优选为六轴机器人。

为了提高通用性，末端法兰9上设置有用于安装工具的多个安装孔。

如图2、图3和图4所示，本发明实施例还提供了一种机器人奇异点处理方法，应用如任一种位移装置，包括步骤：

S1：将机器人的关节转动至初始角度位置，开始运行机器人直线运动程序指令；通过上述设置，使得机器人处于初始状态后直线运动。在步骤S1之前，优选将位移装置归零。

S2：判断机器人是否进入奇异点区域，如果是，进入下一步；如果否，机器人继续正常运动；以六轴机器人为例，将关节5的关节转动角度θ₅作为奇异点阈值判断的参数。当θ₅小于阈值时，判断机器人进入奇异点区域，进入下一步进行奇异点过渡流程；当θ₅大于或等于阈值时，判断机器人未进入奇异点区域，机器人继续正常运动。

在步骤S2之前，计算奇异点。

S3：在不考虑位移装置的前提下，使用奇异点过渡算法计算机器人转动关节下一插补周期需要运动的角度：

求解得出机器人的末端由当前运动位置p₁到预定位置p₂之间的运动向量其中，奇异点过渡算法可以为DLS(Dampedleast-squares，阻尼最小方差)算法。当然，也可以采用其他奇异点过渡算法，在此不再一一累述。

S4：计算机器人的末端从初始位置p₁到运动目标位置p₃需要进行直线运动的运动向量计算补偿运动的运动向量，补偿运动的运动向量为其中，为使用奇异点过渡算法计算得到的机器人转动关节的转动角度作用下的运动向量与实际需要进行的运动向量的差值，通过位移装置完成运动，避免了与之间的误差，提高了精度。

将分解为三个相互垂直的方向的运动距离可以理解的是，三个相互垂直的方向与末端法兰9相对于第一位移杆8的线性运动方向、第一位移杆8相对于第二位移杆7的线性运动方向及第二位移杆7相对于第三位移杆6的线性运动方向一一对应。

控制位移装置的第一位移杆8、第二位移杆7及第三位移杆6分别作线性运动，运动距离分别为d₇、d₈、d₉；如图3所示，d₇的向量方向为Y轴，d₈的向量方向为X轴，d₉的向量方向为Z轴。其中，末端法兰9相对于第一位移杆8的线性运动方向、第一位移杆8相对于第二位移杆7的线性运动方向及第二位移杆7相对于第三位移杆6的线性运动方向分别为X轴、Y轴和Z轴。末端法兰9相对于第一位移杆8的线性运动距离、第一位移杆8相对于第二位移杆7的线性运动距离及第二位移杆7相对于第三位移杆6的线性运动距离分别为d₇、d₈和d₉。

根据插补周期及插补算法进行轨迹规划，并发送插补信号至执行器进行运动；通过轨迹规划，使得机器人完成规定的任务。

S5：判断机器人是否离开奇异点区域：如果没有离开奇异点区域，则进入步骤S3；如果离开奇异点区域，则进入下一步；

S6：结束奇异点处理。

本发明实施例提供的机器人奇异点处理方法，结合位移装置，达到空间位移方式，以便于达到对机器人在奇异点过渡过程中进行补偿运动，提高了机器人工作的精确度，并且，避免了机器人在奇异点处出现速度过快的问题。

为了便于位移装置之后进行补偿运动，步骤S5与步骤S6之间还包括步骤S56：在机器人离开奇异点区域进行正常运动后，设置位移装置上的移动距离归零。

如图5所示，进一步地，步骤S56中，位移装置上的移动距离归零方法为：

S561：根据第一位移杆8、第二位移杆7及第三位移杆6上直线导轨的运动距离和计算其中， $\stackrel{\→}{l_3}=\stackrel{\→}{d_7}+\stackrel{\→}{d_8}+\stackrel{\→}{d_9}.$

S562：从当前运动位置p₅到运动目标位置p₆的运动向量在不考虑位移装置的前提下机器人的末端运动位置p₄到目标位置p₆的运动向量为其中，为机器人的末端的运动向量。

S563：根据插补周期及插补算法进行轨迹规划，并发送插补信号至执行器进行运动，通过轨迹规划，使得机器人的末端经过后到达目标位置p₆，位移装置归零。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种位移装置，其特征在于，包括：用于连接机器人的末端法兰(9)且使所述末端法兰(9)沿其线性运动的第一位移杆(8)；沿所述第一位移杆(8)作线性运动的第二位移杆(7)；沿所述第二位移杆(7)作线性运动，用于连接机器人主体的驱动末端的第三位移杆(6)；所述末端法兰(9)相对于所述第一位移杆(8)的线性运动方向、所述第一位移杆(8)相对于所述第二位移杆(7)的线性运动方向及所述第二位移杆(7)相对于所述第三位移杆(6)的线性运动方向相互垂直。

2.如权利要求1所述的位移装置，其特征在于，所述第三位移杆(6)、所述第二位移杆(7)及所述第一位移杆(8)中的两个为滑轨，剩余一个为直线伸缩装置。

3.如权利要求2所述的位移装置，其特征在于，所述第三位移杆(6)及所述第二位移杆(7)为滑轨；所述第二位移杆(7)滑动设置于所述第三位移杆(6)上；

所述第一位移杆(8)为直线伸缩装置，其滑动设置于所述第二位移杆(7)上，其驱动端与所述末端法兰(9)连接。

4.如权利要求2或3所述的位移装置，其特征在于，所述直线伸缩装置为直线电机或气缸。

5.一种机器人，包括机器人主体及末端法兰(9)，其特征在于，还包括如权利要求1-4任一项所述的位移装置；

所述末端法兰(9)与所述第一位移杆(8)连接，所述机器人主体的驱动末端与所述第三位移杆(6)连接。

6.如权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述机器人主体包括依次通过关节连接的基座(10)、第一连杆(1)、第二连杆(2)、第三连杆(3)、第四连杆(4)及第五连杆(5)；

所述第五连杆(5)远离所述第四连杆(4)的一端为所述机器人主体的驱动末端。

7.如权利要求5或6所述的机器人，其特征在于，所述末端法兰(9)上设置有用于安装工具的多个安装孔。

8.一种机器人奇异点处理方法，应用如权利要求1-4任一项所述的位移装置，其特征在于，包括步骤：

1)将机器人的关节转动至初始角度位置，开始运行机器人正常运动程序指令；

2)判断所述机器人是否进入奇异点区域，如果是，进入下一步；如果否，所述机器人继续正常运动；

3)在不考虑所述位移装置的前提下，使用奇异点过渡算法计算所述机器人转动关节下一插补周期需要运动的角度：

求解得出所述机器人的末端由当前运动位置p₁到预定位置p₂之间的运动向量

4)计算机器人的末端从初始位置p₁到运动目标位置p₃需要进行直线运动的运动向量补偿运动的运动向量为

将分解为三个相互垂直的方向的运动距离

控制所述位移装置的第一位移杆(8)、第二位移杆(7)及第三位移杆(6)分别作线性运动，运动距离分别为d₇、d₈和d₉；

根据插补周期及插补算法进行轨迹规划，并发送插补信号至执行器进行运动；

5)判断机器人是否离开奇异点区域：如果没有离开奇异点区域，则进入步骤3)；如果离开奇异点区域，则进入下一步；

6)结束奇异点处理。

9.如权利要求8所述的机器人奇异点处理方法，其特征在于，所述步骤5)与所述步骤6)之间还包括步骤56)：

在机器人离开奇异点区域进行正常运动后，设置所述位移装置上的移动距离归零。

10.如权利要求9所述的机器人奇异点处理方法，其特征在于，所述位移装置上的移动距离归零方法为：

561)根据第一位移杆(8)、第二位移杆(7)及第三位移杆(6)上直线导轨的运动距离和计算

562)从当前运动位置p₅到运动目标位置p₆的运动向量在不考虑位移装置的前提下机器人的末端运动位置p₄到位置p₆的运动向量为 $\stackrel{\→}{l_z}=\stackrel{\→}{l_3}+\stackrel{\→}{l_4};$

563)根据插补周期及插补算法进行轨迹规划，并发送插补信号至执行器进行运动。