CN108436915A - 双机器人运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双机器人运动控制方法、控制器、存储器、操作***。控制方法包含如下步骤：对主从机器人进行标定；对主从机器人的运动控制分别进行示教，规划主从机器人的运动轨迹；获取主从机器人的运动轨迹上的轨迹点的位姿与时间的关系；根据轨迹点与时间的关系，对主从机器人的运动轨迹上的轨迹点进行逆解，分别获得主从机器人的各个轴的运动控制指令。本发明实现了主从机器人一样通过示教器进行在线示教编程，大大降低了双机器人的示教难度，并且本发明可以单控制器实现，省去了主从机器人通信过程，保证了主从机器人在时间上的启停控制的同步，降低通讯故障的几率，并可提高机器人控制柜的空间利用率。

Description

双机器人运动控制方法

技术领域

本发明涉及双机器人进行协同及跟踪CP(Continuous Path，连续轨迹)运动控制技术，特别涉及一种双机器人运动控制方法。

背景技术

当前在工业机器人的应用过程中，每个工位大多以单个单种类机器人独立工作为主，而且每个机器人都必须配备有独立的控制器和驱动，随着机器人的应用范围不断扩大，这类单机器人独立工作很难满足许多复杂的应用环境，为了能够使用机器人的去完成更加复杂的作业，多机器人协调控制成了当前的研究热点之一。

现有机器人协同控制大多使用单独控制器，离线编程方式分别进行实现，即主机器人轨迹可通过示教方式实现控制，而对从机器人轨迹规划，则需在离线编程***中，通过已知主机器人的运动轨迹、基坐标系相对位姿阵，通过已经编好的协调运动解法进行求解。这种方法控制成本高，灵活性较低，并且对应用工程人员素质要求比较高，分别配置控制器的实现方式难以绝对保证基于协调运动同时性控制，并且会占用控制柜的空间。

发明内容

根据本发明实施例，提供了一种双机器人运动控制方法，用于主机器人和从机器人的协同运动控制，包含如下步骤：

对主机器人和从机器人进行标定；

对主机器人和从机器人的运动控制分别进行示教，规划主机器人和从机器人的运动轨迹；

获取主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点的位姿与时间的关系；

根据轨迹点与时间的关系，对主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点进行逆解，分别获得主机器人和从机器人的各个轴的运动控制指令。

进一步，对主机器人和从机器人标定包含如下步骤：

分别在主机器人和从机器人的末端安装标定工具；

分别测定主机器人标定工具相对于主机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；分别测定从机器人标定工具相对于从机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；主机器人法兰坐标系和从机器人法兰坐标系分别为以主机器人和从机器人的法兰中心点为原点，XYZ方向相对于主机器人和从机器人的法兰固定的坐标系；

移动从机器人沿着从机器人的根坐标系X轴的负向运动到第一位置后，除从机器人的第一关节外的其他关节轴保持静止状态，将第一关节分别逆时针旋转三个角度并分别得到P₁、P₂、P₃点，从机器人的第一关节驱动从机器人的末端转动；

当从机器人在P₁、P₂、P₃点时，用主机器人的标定工具分别碰触从机器人的标定工具，并记录下从机器人在P₁、P₂、P₃点时主机器人根坐标系下的的位置；

根据P₁、P₂、P₃点计算从机器人根坐标系相对于主机器人的根坐标系的位置与姿态。

进一步，通过XYZ四点法测定机器人的标定工具相对于法兰坐标系的位置，通过世界坐标系法测定机器人的标定工具相对于法兰坐标系的姿态变换。

进一步，若存在两个以上的从机器人，通过主机器人或已经标定过的从机器人对未标定的从机器人进行标定。

进一步，对主机器人和从机器人的标定还包含：标定主机器人的工件坐标系，以及标定从机器人的工具坐标系。

进一步，示教从机器人的运动控制时，主机器人保持静止。

根据本发明实施例，还提供了一种双机器人运动控制器，包含：

标定模块，标定模块对主机器人和从机器人进行标定；

示教规划模块，示教规划模块对主机器人和从机器人的运动控制分别进行示教，规划主机器人和从机器人的运动轨迹；

位姿模块，位姿模块获取运动主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点的位姿与时间的关系；

逆解模块，逆解模块根据位姿与时间的关系，对主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点进行逆解，分别获得主机器人和从机器人的各个轴的运动控制指令。

进一步，标定模块包含：

标定工具，标定工具分别安装在主机器人和从机器人的末端；

位姿测定单元，位姿测定单元分别测定主机器人标定工具相对于主机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；分别测定所述从机器人标定工具相对于从机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；所述主机器人法兰坐标系和从机器人法兰坐标系分别为以主机器人和从机器人的法兰中心点为原点，XYZ方向相对于主机器人和从机器人的法兰固定的坐标系；

取点单元，所述取点单元移动移动从机器人沿着从机器人的根坐标系X轴的负向运动到第一位置后，除从机器人的第一关节外的其他关节轴保持静止状态，将第一关节分别逆时针旋转三个角度并分别得到P₁、P₂、P₃点，所述从机器人的第一关节驱动从机器人的末端转动；当从机器人在P₁、P₂、P₃点时，用主机器人的标定工具分别碰触从机器人的标定工具，并记录下从机器人在P₁、P₂、P₃点时主机器人根坐标系下的的位置；

计算单元，计算单元根据P₁、P₂、P₃点计算出从机器人根坐标系相对于主机器人根坐标系的位置与姿态。

根据本发明实施例，还提供了一种存储器，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。

根据本发明实施例，还提供了一种操作***，包括处理器、上述的存储器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法。

根据本发明实施例的双机器人运动控制方法、双机器人运动控制器、存储器、操作***，实现了从机器人与主机器人一样通过示教器进行在线示教编程，大大降低了双机器人的示教难度，并且本发明可以单控制器实现，省去了主从机器人通信过程，保证了主从机器人在时间上的启停控制的同步，降低通讯故障的几率，并可提高机器人控制柜的空间利用率。

要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例双机器人运动控制方法的方法流程图；

图2为本发明实施例双机器人运动控制方法的标定过程示意图；

图3位本发明实施例双机器人运动控制方法的主从机器人运动学约束关系示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细描述本发明的优选实施例，对本发明做进一步阐述。

首先，将结合图1～3描述根据本发明实施例的双机器人运动控制方法，用于主机器人和从机器人的协同运动控制，如图1所示，包含如下步骤：

在步骤S1中，对主机器人和从机器人进行标定；对主机器人和从机器人进行标定通过如下子步骤来实现：

在步骤S1.1中，分别在主机器人和从机器人的末端安装标定工具，在本实施例中，标定工具为带尖点的短杆，该短杆可以看作为机器人的工具。

在步骤S1.2中，分别测定主机器人的工具相对于主机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；分别测定从机器人的工具相对于从机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；在本实施例中，主机器人法兰坐标系和从机器人法兰坐标系分别为以主机器人和从机器人的法兰中心点为原点，XYZ方向相对于法兰固定的坐标系；通过XYZ四点法测定所述主机器人和从机器人工具相对于法兰坐标系的位置，通过世界坐标系法测定所述主机器人和从机器人工具相对于法兰坐标系的姿态变换。

在步骤S1.3中，如图2所示，移动从机器人沿着其根坐标系X轴的负向运动到第一位置后，除第一关节轴外的其他轴保持静止状态，将第一关节轴分别逆时针旋转0°、theta、beta三个角度，分别得到P₁、P₂、P₃点，第一关节驱动从机器人的末端转动。

在步骤S1.4中，当从机器人在P₁、P₂、P₃时，用所述主机器人的标定工具分别碰触从机器人的标定工具，并记录下从机器人在P₁、P₂、P₃点时主机器人的末端工具位置。如图2所示，通过P₁、P₂、P₃，求出一个圆，圆心点O₂位置即为从机器人的根坐标系{R₂}在主机器人根坐标系下的位置。圆心点O₂指向P₁点的向量即为从机器人根坐标系{R₂}X轴在主机器人根坐标系下的方向向量U，P₁、P₂、P₃三点所组成的平面法向量0_w即为{R₂}Z轴的方向W，{R₂}Y轴的方向向量V＝U×W。在本实施例中，若存在两个以上的从机器人，通过主机器人或已经标定过的从机器人对未标定的从机器人进行标定。对主机器人和从机器人的标定还包含：对主机器人的工件坐标系进行标定，以及对从机器人进行工具坐标系进行标定。在本实施例中，工件坐标系与工具坐标系不同，测定方法也不同。工件坐标系的标定需要借助于外部已知位置的尖端点碰触工件上的三点进行标定，三点分别为所标定工件坐标系的原点，X轴正方向上一点，XY平面内一点。工件可理解为需要加工的产品。而工具坐标系的标定可用上述的XYZ四点法和世界坐标系法进行标定。

在步骤2中，对主机器人和从机器人的运动控制分别进行示教，规划主机器人和从机器人的运动轨迹。在本实施例中，示教从机器人的运动轨迹点时，主机器人保持静止，所记录的位姿是相对于主机器人工件坐标系{R4}的位姿。

为获取双机器人协调CP运动轨迹模型，需要对主机器人和从机器人进行简化可得双机器人运动学约束关系示意图，如图3所示，建立主机器人和从机器人的闭环运动链关系表达式如下：

式中：{R₁}表示主机器人根坐标系，{R₂}表示从机器人根坐标系，{R₃}表示主机器人工具坐标系，{R₄}表示从机器人工作基坐标系，该坐标系跟随主机器人一起运动，{R₅}表示从机器人工具坐标系，点P为从机器人在工作基坐标系内的一个轨迹点。为主机器人与从机器人根坐标系原点之间位姿变换的齐次变换矩阵，为一常数矩阵，可以通过所述标定方法得到。分别为主从机器人根坐标系到法兰坐标系的变换矩阵，未知。为主机器人法兰坐标系到工件坐标系的变换矩阵，为一常数矩阵，可通过标定得出，从机器人法兰坐标系到工具坐标系的变换矩阵，为一常数矩阵，可通过标定得出，为轨迹点P在基坐标系{R₄}的位置矩阵，是从机器人根据用户指令进行轨迹规划得出。

在步骤3中，获取运动主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点的位姿与时间的关系。根据式(1)中的闭环运动链关系表达式推导出从机器人在其根坐标系内的轨迹点P位姿到从机器人自身根坐标系{R₂}的位姿变换表达式如下所示：

由于已经通过上述标定方法得出的常数矩阵，为从机器人轨迹规划点相对于工作基坐标系的位姿，为主机器人轨迹点到其根坐标系的变换位姿，由上式可知当已知从机器人轨迹点P相对于工作基坐标系的位姿以及主机人轨迹点相对于根坐标系{R₂}的位姿即可求出从机器人相对于其自身根坐标系{R₂}的位置。在本实施例中，在从机器人的工作坐标系中，其轨迹规划方法与主机器人相同。

在步骤4中，根据轨迹点与时间的关系，对主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点进行逆解，分别获得主机器人和从机器人的各个轴的运动控制指令。在本实施例中，主机器人和从机器人的轨迹规划是在同一个控制器内完成，主机器人和从机器人的插补周期相同，从机器人轨迹规划控制模块通过一个接受函数来获取主机器人的同插补周期内的位姿信息并通过式(2)实时计算出下一个插补周期内轨迹点相对于自身根坐标系位姿再通过从机器人的逆解模型得出各个轴伺服的运动位置指令。

如上所述，在根据本发明实施例的双机器人运动控制方法，实现了从机器人与主机器人一样通过示教器进行在线示教编程，大大降低了双机器人的示教难度，并且本发明可以单控制器实现，省去了主从机器人通信过程，保证了主从机器人在时间上的启停控制的同步，降低通讯故障的几率，并可提高机器人控制柜的空间利用率。

以上结合附图1～3描述了根据本发明实施例的双机器人运动控制方法。进一步地，本发明还提供一种双机器人运动控制器。

根据本发明实施例，还提供了一种双机器人运动控制器，包含：标定模块、示教规划模块、位姿模块、逆解模块。

其中，标定模块对主机器人和从机器人进行标定。在本实施例中，标定模块包含：标定工具，所述标定工具分别安装在所述主机器人和从机器人的末端。

示教规划模块对主机器人和从机器人的运动控制分别进行示教，规划主机器人和从机器人的运动轨迹。

位姿模块获取运动主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点的位姿与时间的关系。进一步，在本实施例中，位姿模块包含：位姿测定单元、取点单元。

其中，位姿测定单元分别测定主机器人相对于主机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；位姿测定单元分别测定从机器人相对于从机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；主机器人法兰坐标系和从机器人法兰坐标系分别为以主机器人和从机器人的法兰中心点为原点，XYZ方向固定的坐标系。

取点单元移动从机器人沿着世界坐标系X轴的负向运动到第一位置后，除X轴外的其他轴保持静止状态，将X轴分别逆时针旋转0°、theta、beta角度并分别得到P₁、P₂、P₃点；当从机器人在P₁、P₂、P₃点时，用主机器人的标定工具分别碰触从机器人的标定工具，并记录下从机器人在P₁、P₂、P₃点时主机器人的位置。

逆解模块根据位姿与时间的关系，对主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点进行逆解，分别获得主机器人和从机器人的各个轴的运动控制指令。

本发明实施例双机器人运动控制器的工作原理和上述方法一致，此处不再赘述。

进一步地，本发明还提供一种存储器，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。

进一步地，本发明还提供一种操作***，包括处理器、上述的存储器，以及存储在上述存储器上并可在上述处理器上运行的计算机程序，上述处理器执行上述计算机程序时实现上述的方法。

以上，参照图1～3描述了根据本发明实施例的双机器人运动控制方法、双机器人运动控制器、存储器、操作***，实现了从机器人与主机器人一样通过示教器进行在线示教编程，大大降低了双机器人的示教难度，并且本发明可以单控制器实现，省去了主从机器人通信过程，保证了主从机器人在时间上的启停控制的同步，降低通讯故障的几率，并可提高机器人控制柜的空间利用率。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种双机器人运动控制方法，用于主机器人和从机器人的协同运动控制，其特征在于，包含如下步骤：

对所述主机器人和从机器人进行标定；

对所述主机器人和从机器人的运动控制分别进行示教，规划所述主机器人和从机器人的运动轨迹；

获取所述主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点的位姿与时间的关系；

根据所述轨迹点与时间的关系，对所述主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点进行逆解，分别获得主机器人和从机器人的各个轴的运动控制指令。

2.如权利要求1所述的双机器人运动控制方法，其特征在于，对主机器人和从机器人标定包含如下步骤：

分别在所述主机器人和从机器人的末端安装标定工具；

分别测定所述主机器人标定工具相对于主机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；分别测定所述从机器人标定工具相对于从机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；所述主机器人法兰坐标系和从机器人法兰坐标系分别为以主机器人和从机器人的法兰中心点为原点，XYZ方向相对于主机器人和从机器人的法兰固定的坐标系；

移动从机器人沿着所述从机器人的根坐标系X轴的负向运动到第一位置后，除从机器人的第一关节外的其他关节轴保持静止状态，将第一关节分别逆时针旋转三个角度并分别得到P₁、P₂、P₃点，所述从机器人的第一关节驱动从机器人的末端转动；

当从机器人在P₁、P₂、P₃点时，用所述主机器人的标定工具分别碰触从机器人的标定工具，并记录下从机器人在P₁、P₂、P₃点时主机器人根坐标系下的的位置；

根据P₁、P₂、P₃点计算从机器人根坐标系相对于主机器人的根坐标系的位置与姿态。

3.如权利要求2所述的双机器人运动控制方法，其特征在于，通过XYZ四点法测定机器人的标定工具相对于法兰坐标系的位置，通过世界坐标系法测定机器人的标定工具相对于法兰坐标系的姿态变换。

4.如权利要求2所述的双机器人运动控制方法，其特征在于，若存在两个以上的从机器人，通过主机器人或已经标定过的从机器人对未标定的从机器人进行标定。

5.如权利要求2所述的双机器人运动控制方法，其特征在于，对主机器人和从机器人的标定还包含：标定主机器人的工件坐标系，以及标定从机器人的工具坐标系。

6.如权利要求1所述的双机器人运动控制方法，其特征在于，示教所述从机器人的运动控制时，所述主机器人保持静止。

7.一种双机器人运动控制器，其特征在于，包含：

标定模块，所述标定模块对所述主机器人和从机器人进行标定；

示教规划模块，所述示教规划模块对所述主机器人和从机器人的运动控制分别进行示教，规划所述主机器人和从机器人的运动轨迹；

位姿模块，所述位姿模块获取所述运动主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点的位姿与时间的关系；

逆解模块，所述逆解模块根据所述位姿与时间的关系，对所述主机器人和从机器人的运动轨迹上的轨迹点进行逆解，分别获得主机器人和从机器人的各个轴的运动控制指令。

8.如权利要求7所述的双机器人运动控制器，其特征在于，所述标定模块包含：

标定工具，所述标定工具分别安装在所述主机器人和从机器人的末端；

位姿测定单元，所述位姿测定单元分别测定所述主机器人标定工具相对于主机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；分别测定所述从机器人标定工具相对于从机器人法兰坐标系的位置和姿态变换；所述主机器人法兰坐标系和从机器人法兰坐标系分别为以主机器人和从机器人的法兰中心点为原点，XYZ方向相对于主机器人和从机器人的法兰固定的坐标系；

取点单元，所述取点单元移动移动从机器人沿着所述从机器人的根坐标系X轴的负向运动到第一位置后，除从机器人的第一关节外的其他关节轴保持静止状态，将第一关节分别逆时针旋转三个角度并分别得到P₁、P₂、P₃点，所述从机器人的第一关节驱动从机器人的末端转动；当从机器人在P₁、P₂、P₃点时，用所述主机器人的标定工具分别碰触从机器人的标定工具，并记录下从机器人在P₁、P₂、P₃点时主机器人根坐标系下的的位置；

计算单元，所述计算单元根据P₁、P₂、P₃点计算出从机器人根坐标系相对于主机器人根坐标系的位置与姿态。

9.一种存储器，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～6中任一项所述的方法。

10.一种操作***，其特征在于，包括处理器、权利要求9所述的存储器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～6中任一项所述的方法。