CN107186753B - 工业机器人性能测试的工作空间确定方法 - Google Patents

工业机器人性能测试的工作空间确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，属于工业机器人性能测试领域，包括如下步骤：在六连杆机器人的各连杆上分别固接一个坐标系，确定机器人的连杆几何参数及各关节运动范围；获取机器人连杆4末端的运动空间剖面图；将连杆4末端的运动空间剖面图沿着机器人基坐标系轴线偏移设定的距离，获得机器人工作空间剖面图，由此确定机器人的工作空间。本发明创新性的提出通过理论推导结合数学计算来确定机器人的工作空间的方法，该方法操作过程不需要手动示教机器人，简单方便，适用范围广，有效提高了机器人性能测试效率和准确度，从而使机器人的应用更为广泛。

Description

工业机器人性能测试的工作空间确定方法
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，尤其涉及一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法。
背景技术
工业机器人是高端智能装备的代表，被喻为“制造业皇冠顶端的明珠”。根据国家相关法规规定，工业机器人在出厂前或者长时间使用后需要对其进行性能方面的测试，《GB/T 12642-2013工业机器人性能规范及其试验方法》对工业机器人的各项性能指标及试验方法进行了明确详细的阐述，其中，机器人工作空间的确定是测试多项重要性能指标的必要条件。
目前，关于机器人工作空间的确定尚无通用化、***化、实用化的方法。传统的方法一般采用机器人示教的方法，该方法需要专业人员对机器人进行手动调试，需尝试将机器人运动至极限位置，存在潜在的危险；同时，操作过程繁琐，耗费时间长，还难以保证该工作空间的准确性，影响机器人性能测试结果的有效性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工业机器人性能测试的，方便、快捷、准确的工作空间确定方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，机器人由连杆零、连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五、连杆六依次串联而成，连杆零与连杆一通过关节一连接，连杆一与连杆二通过关节二连接，连杆二与连杆三通过关节三连接，连杆三与连杆四通过关节四连接，连杆四与连杆五通过关节五连接，连杆五与连杆六通过关节六连接，其特征在于：该方法由以下三个步骤组成：
步骤一：在所述连杆零、连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五、连杆六上各固接一个坐标系，分别为O0-X0-Y0-Z0、O1-X1-Y1-Z1、O2-X2-Y2-Z2、O3-X3-Y3-Z3、O4-X4-Y4-Z4、O5-X5-Y5-Z5，O6-X6-Y6-Z6，确定连杆一坐标系原点在机器人基坐标系下的位置信息、各连杆几何参数及各关节的运动范围；
步骤二：根据各关节的运动范围，构造出连杆四末端的四个圆弧——圆弧一、圆弧二、圆弧三、圆弧四的轨迹方程，机器人连杆四末端的运动空间剖面图由圆弧一、圆弧二、圆弧三、圆弧四首尾连接而成；
步骤三：将所述连杆四末端的运动空间剖面图偏移设定的距离，获得机器人工作空间剖面图，由此确定机器人的工作空间。
优选地，所述步骤一中，各连杆几何参数包括：连杆一坐标系原点在机器人基坐标系下的位置矢量
Figure GDA0002481805060000021
连杆一坐标系原点与连杆二坐标系原点之间的距离
Figure GDA0002481805060000022
连杆二坐标系原点与连杆四坐标系原点之间的距离
Figure GDA0002481805060000023
连杆五坐标系原点与机器人末端之间的距离
Figure GDA0002481805060000024
优选地，所述步骤二中，圆弧一的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人运动至零位，并将关节三运动至其转角下限位置，读出此时关节三转角值记作
Figure GDA0002481805060000025
B、锁定其他关节，单独操纵关节二运动，获得连杆四末端的圆弧一运动轨迹，圆弧一半径记作r1；
C、根据三角形余弦公式有：
Figure GDA0002481805060000026
所述圆弧一运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000027
其中，θ2为关节二的转角，
Figure GDA0002481805060000028
为关节三的转角上限。
优选地，所述步骤二中，圆弧二的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人运动至延伸位置奇点；
B、锁定其它关节，单独操纵关节二运动，获得连杆四末端的圆弧二运动轨迹，圆弧二半径记作r2，则r2＝l2+l3；
C、所述圆弧二运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000029
其中，θ2为关节二的转角。
优选地，所述步骤二中，圆弧三的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人关节二，将其运动至转角上限位置；
B、锁定其它关节，单独操纵关节三运动，获得连杆四末端的圆弧三运动轨迹；
C、所述圆弧三运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000031
其中，
Figure GDA0002481805060000032
为关节二的转角下限，θ3为关节三的转角。
优选地，所述步骤二中，圆弧四的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人关节二，将其运动至转角下限位置；
B、锁定其它关节，单独操纵关节三运动，获得连杆四末端的圆弧四运动轨迹；
C、所述圆弧四运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000033
其中，
Figure GDA0002481805060000034
为关节二的转角上限，θ3为关节三的转角。
优选地，所述步骤三中，机器人工作空间的求取原理为：对于六关节串联式工业机器人，前三个关节决定了机器人末端的位置，而后三个关节决定了机器人末端的姿态；因此，机器人连杆四末端的位置和机器人末端的位置具有一致性，仅需将连杆四末端的运动空间剖面图沿着矢量
Figure GDA0002481805060000035
偏移，便可得到机器人的工作空间剖面图。
优选地，所述步骤三中，将圆弧一运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000036
偏移得到圆弧五轨迹，将圆弧二运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000037
偏移得到圆弧六轨迹，将圆弧三运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000038
偏移得到圆弧七轨迹，将圆弧四运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000039
偏移得到圆弧八轨迹，机器人的工作空间剖面图由圆弧五、圆弧六、圆弧七、圆弧八首尾连接而成。
本发明创新性的提出了通过理论推导结合数学计算来确定机器人工作空间的方法，该方法操作过程不需要手动示教机器人，简单方便，适用范围广，有效提高了机器人性能测试效率和准确度，从而使机器人的应用更为广泛。
附图说明
图1为工业机器人及连杆坐标系示意图；
图2为工业机器人连杆四末端的运动空间剖面图；
图3为工业机器人工作空间剖面图；
图中，sp表示延伸位置奇点。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
典型的六关节串联式工业机器人如图1所示，由连杆零0、连杆一1、连杆二2、连杆三3、连杆四4、连杆五5依次串联而成，图1中，0～5分别表示连杆零～连杆五。连杆零与连杆一通过关节一连接，连杆一与连杆二通过关节二连接，连杆二与连杆三通过关节三连接，连杆三与连杆四通过关节四连接，连杆四与连杆五通过关节五连接，机器人末端即连杆五5末端设有关节六。
本发明的工业机器人性能测试的工作空间确定方法，步骤如下：
步骤一：在机器人的依次串联的连杆零、连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五上各固接一个坐标系，分别为O0-X0-Y0-Z0、O1-X1-Y1-Z1、O2-X2-Y2-Z2、O3-X3-Y3-Z3、O4-X4-Y4-Z4、O5-X5-Y5-Z5，在机器人末端固接一个坐标系O6-X6-Y6-Z6，确定连杆一1坐标系原点在机器人基坐标系下的位置信息、各连杆几何参数及各关节的运动范围。
各连杆几何参数包括：连杆一1坐标系原点在机器人基坐标系下的位置矢量
Figure GDA0002481805060000041
连杆一1坐标系原点与连杆二2坐标系原点之间的距离l1＝O1O2，连杆二2坐标系原点与连杆四4坐标系原点之间的距离l2＝O2O4，连杆五5坐标系原点与机器人末端之间的距离l3＝O5O6。
步骤二：根据各关节运动范围，构造出连杆四4末端的四个圆弧轨迹方程，确定机器人连杆四4末端的运动空间剖面图。
如图2、图3所示，圆弧一21的轨迹生成及计算方法：
1.操纵机器人运动至机器人零位，并将关节三运动至其转角下限位置，读出此时关节三转角值记作
Figure GDA0002481805060000042
2.锁定其他关节，单独操纵关节二运动，获得连杆四4末端的圆弧一21运动轨迹。圆弧一21半径记作r1。
3.根据三角形余弦公式有：
Figure GDA0002481805060000051
所述圆弧一21运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000052
其中，θ2为关节二的转角，
Figure GDA0002481805060000053
为关节三的转角上限。
圆弧二22的轨迹生成及计算方法：
1.操纵机器人运动至延伸位置奇点。
2.锁定其它关节，单独操纵关节二运动，获得连杆四4末端的圆弧二22运动轨迹。圆弧二22半径记作r2，其中r2＝l2+l3。
3.所述圆弧二22运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000054
其中，θ2为关节二的转角。
圆弧三23的轨迹生成及计算方法：
1.操纵机器人关节二，将其运动至转角上限位置。
2.锁定其它关节，单独操纵关节三运动，获得连杆四4末端的圆弧三23运动轨迹。
3.所述圆弧三23运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000055
其中，
Figure GDA0002481805060000056
为关节二的转角下限，θ3为关节三的转角。
圆弧四24的轨迹生成及计算方法：
1.操纵机器人关节二，将其运动至转角下限位置。
2.锁定其它关节，单独操纵关节三运动，获得连杆四4末端的圆弧四24运动轨迹。
3.所述圆弧四24运动轨迹方程为
Figure GDA0002481805060000061
其中，
Figure GDA0002481805060000062
为关节二的转角上限，θ3为关节三的转角。
机器人连杆四4末端的运动空间剖面图由圆弧一21、圆弧二22、圆弧三23、圆弧四24首尾连接而成。
步骤三：将所述连杆四4末端的运动空间剖面图沿着机器人基坐标系轴线偏移一段设定的距离，获得机器人工作空间剖面图。
机器人工作空间的求取原理为：对于六关节串联式工业机器人，其前三个关节决定了机器人末端的位置，而后三个关节决定了机器人末端的姿态。因此，机器人连杆四4末端的位置和机器人末端的位置具有一致性，仅需将连杆4末端的运动空间剖面图沿着矢量
Figure GDA0002481805060000063
偏移，便可得到机器人的工作空间剖面图。
将圆弧一21运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000064
偏移得到圆弧五25轨迹，将圆弧二22运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000065
偏移得到圆弧六26轨迹，将圆弧三23运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000066
偏移得到圆弧七27轨迹，将圆弧四24运动轨迹沿着矢量
Figure GDA0002481805060000067
偏移得到圆弧八28轨迹，机器人的工作空间剖面图由圆弧五25、圆弧六26、圆弧七27、圆弧八28首尾连接而成，如图3所示。

Claims (7)

1.一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，机器人由连杆零、连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五依次串联而成，连杆零与连杆一通过关节一连接，连杆一与连杆二通过关节二连接，连杆二与连杆三通过关节三连接，连杆三与连杆四通过关节四连接，连杆四与连杆五通过关节五连接，机器人末端设有关节六，其特征在于：该方法由以下三个步骤组成：
步骤一：在所述连杆零、连杆一、连杆二、连杆三、连杆四、连杆五上各固接一个坐标系，分别为O0-X0-Y0-Z0、O1-X1-Y1-Z1、O2-X2-Y2-Z2、O3-X3-Y3-Z3、O4-X4-Y4-Z4、O5-X5-Y5-Z5，在所述机器人末端固接一个坐标系O6-X6-Y6-Z6，确定连杆一坐标系原点在机器人基坐标系下的位置矢量
Figure FDA0002481805050000019
连杆一坐标系原点与连杆二坐标系原点之间的距离l1＝O1O2，连杆二坐标系原点与连杆四坐标系原点之间的距离l2＝O2O4，连杆五坐标系原点与机器人末端之间的距离l3＝O5O6。
步骤二：根据各关节的运动范围，构造出连杆四末端的四个圆弧——圆弧一的轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000011
圆弧二的轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000012
圆弧三的轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000013
圆弧四的轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000014
机器人连杆四末端的运动空间剖面图由圆弧一、圆弧二、圆弧三、圆弧四首尾连接而成，其中，θ2为关节二的转角，
Figure FDA0002481805050000015
为关节三的转角上限，
Figure FDA0002481805050000016
为关节二的转角下限，θ3为关节三的转角，
Figure FDA0002481805050000017
为关节二的转角上限；
步骤三：将所述连杆四末端的运动空间剖面图沿着矢量
Figure FDA0002481805050000018
偏移，获得圆弧五、圆弧六、圆弧七、圆弧八，圆弧五、圆弧六、圆弧七、圆弧八首尾连接形成机器人工作空间剖面图。
2.如权利要求1所述的一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，其特征在于，所述的步骤二中，圆弧一的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人运动至零位，并将关节三运动至其转角下限位置，读出此时关节三转角值记作
Figure FDA0002481805050000021
B、锁定其他关节，单独操纵关节二运动，获得连杆四末端的圆弧一运动轨迹，圆弧一半径记作r1；
C、根据三角形余弦公式有：
Figure FDA0002481805050000022
所述圆弧一运动轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000023
其中，θ2为关节二的转角，
Figure FDA0002481805050000024
为关节三的转角上限。
3.如权利要求2所述的一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，其特征在于，所述的步骤二中，圆弧二的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人运动至延伸位置奇点；
B、锁定其它关节，单独操纵关节二运动，获得连杆四末端的圆弧二运动轨迹；圆弧二半径记作r2，则r2＝l2+l3；
C、所述圆弧二运动轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000025
其中，θ2为关节二的转角。
4.如权利要求3所述的一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，其特征在于，所述的步骤二中，圆弧三的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人关节二，将其运动至转角上限位置；
B、锁定其它关节，单独操纵关节三运动，获得连杆四末端的圆弧三运动轨迹；
C、所述圆弧三运动轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000026
其中，
Figure FDA0002481805050000027
为关节二的转角下限，θ3为关节三的转角。
5.如权利要求4所述的一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，其特征在于，所述的步骤二中，圆弧四的轨迹生成及计算方法为：
A、操纵机器人关节二，将其运动至转角下限位置；
B、锁定其它关节，单独操纵关节三运动，获得连杆四末端的圆弧四运动轨迹；
C、所述圆弧四运动轨迹方程为
Figure FDA0002481805050000031
其中，
Figure FDA0002481805050000032
为关节二的转角上限，θ3为关节三的转角。
6.如权利要求5所述的一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，其特征在于，所述的步骤三中，机器人工作空间的求取原理为：对于六关节串联式工业机器人，前三个关节决定了机器人末端的位置，而后三个关节决定了机器人末端的姿态；因此，机器人连杆四末端的位置和机器人末端的位置具有一致性，仅需将连杆四末端的运动空间剖面图沿着矢量
Figure FDA0002481805050000033
偏移，便可得到机器人的工作空间剖面图。
7.如权利要求5或6所述的一种工业机器人性能测试的工作空间确定方法，其特征在于，所述的步骤三中，将圆弧一运动轨迹沿着矢量
Figure FDA0002481805050000034
偏移得到圆弧五轨迹，将圆弧二运动轨迹沿着矢量
Figure FDA0002481805050000035
偏移得到圆弧六轨迹，将圆弧三运动轨迹沿着矢量
Figure FDA0002481805050000036
偏移得到圆弧七轨迹，将圆弧四运动轨迹沿着矢量
Figure FDA0002481805050000037
偏移得到圆弧八轨迹，机器人的工作空间剖面图由圆弧五、圆弧六、圆弧七、圆弧八首尾连接而成。
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