CN116852378A - 机器人的协同控制方法、***、设备及介质 - Google Patents

机器人的协同控制方法、***、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种机器人的协同控制方法、***、设备及介质，协同控制方法包括：建立多个坐标系，多个坐标包括世界坐标系world、机器人基座坐标系base、机器人工具坐标系tool、工件坐标系wobj及导轨基座坐标系rbase，所述多个坐标系之间的转换关系如下： 获取机器人工具的用户设置信息，并根据转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹；根据轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数；将目标参数发送至驱动装置，以对机器人各个关节轴、机器人工具和导轨进行协同控制。本公开有效提高了机器人各个关节轴、机器人工具之间协同控制的效率，从而提高机器人工作效率。

Description

机器人的协同控制方法、***、设备及介质
技术领域
本公开涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人的协同控制方法、***、设备及介质。
背景技术
目前，机器人在各种工厂、实验室的自动化生产加工过程中有着大量的应用。在大多数实验室应用中，机器人通常需要通过机器人工具(夹具)进行孔板或者试剂盒等工件的夹持和搬运。对于某些应用场景，如大型工作站，由于机器人的有效工作范围无法达到所有的目标点位，需要机器人沿着导轨进行移动，覆盖更大的工作范围。
目前，机器人、夹具和导轨等外轴大多分开进行独立控制，即机器人各个关节轴由机器人控制器进行控制，机器人工具和导轨通过PLC(可编程逻辑控制器)或者其他运动控制器进行控制，机器人控制器与机器人工具和导轨控制器之间通过数字IO(输入/输出)或者串口等方式进行通讯。这类方案虽简单易行，但无法实现机器人各个关节轴、机器人工具和导轨协同控制，会导致机器人工作效率低，控制效率低的问题。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种机器人的协同控制方法、***、设备及介质。
本公开是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本公开公开了一种机器人的协同控制方法，所述协同控制方法包括：
建立多个坐标系，所述多个坐标包括世界坐标系world、机器人基座坐标系base、机器人工具坐标系tool、工件坐标系wobj及导轨基座坐标系rbase，所述多个坐标系之间的转换关系如下：
获取机器人工具的用户设置信息，并根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹；
根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数；
将所述目标参数发送至驱动装置，以对机器人各个关节轴、机器人工具和导轨进行协同控制。
较佳地，所述协同控制方法包括：
获取障碍物在世界坐标系中的位置信息；
通过机器人基座坐标系base与导轨基座坐标系rbase之间的转换矩阵得到所述障碍物在机器人基座坐标系base中的位置信息；
获取机器人工具的用户设置信息和机器人基座坐标系的障碍物信息，根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹。
较佳地，所述根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数的步骤包括：
根据所述机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的运动轨迹，通过机器人逆运动学和/或机器人逆动力学，确定机器人各个关节轴、机器人工具和导轨对应的参数。
较佳地，所述目标参数包括目标位置、目标速度及目标力矩。
较佳地，所述世界坐标系world选择与导轨基座坐标系rbase重合。
较佳地，所述轨迹包括目标位置、目标速度及目标加速度。
较佳地，所述用户设置信息包括机器人工具的工作点位、动作状态及夹持力度。
本发明公开了一种机器人的协同控制***，所述协同控制***包括：
坐标系建立模块，用于建立多个坐标系，所述多个坐标包括世界坐标系world、机器人基座坐标系base、机器人工具坐标系tool、工件坐标系wobj及导轨基座坐标系rbase，所述多个坐标系之间的转换关系如下：
第一获取模块，用于获取机器人工具的用户设置信息，并根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹；
计算模块，用于根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数；
发送模块，用于将所述目标参数发送至驱动装置，以对机器人各个关节轴、机器人工具和导轨进行协同控制。
较佳地，所述协同控制***还包括：
第二获取模块，用于获取障碍物在世界坐标系中的位置信息；
转换模块，用于通过机器人基座坐标系base与导轨基座坐标系rbase之间的转换矩阵得到所述障碍物在机器人基座坐标系base中的位置信息；
第三获取模块，用于获取机器人工具的用户设置信息和机器人基座坐标系的障碍物信息，根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹。
较佳地，所述计算模块具体用于：
根据所述机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的运动轨迹，通过机器人逆运动学和/或机器人逆动力学，确定机器人各个关节轴、机器人工具和导轨对应的参数。
本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在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如前述的机器人的协同控制方法。
本公开还提供了一种计算机可读存储介质，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如前述的机器人的协同控制方法的步骤。
本公开的积极进步效果在于：
本公开协同控制方法中，通过在***坐标系中构建机器人基座坐标系、机器人工具坐标系和导轨坐标系，并建立统坐标系与机器人基座坐标系、机器人工具坐标系和导轨坐标系之间的转换关系进行路径规划，进而实现机器人的各个关节、机器人工具和导轨之间的协同控制，协同规划了机器人本与导轨之间的协同运动轨迹、相互配合的机器人工具操作，有效提高了机器人各个关节轴、机器人工具和导轨之间协同控制的效率，从而提高机器人工作效率；
另一方面，在机器人基座移动过程中，障碍物在机器人基座坐标系中的位置信息可以通过机器人基座坐标系与导轨基座坐标系之间的转换矩阵求得，实时根据机器人周围的障碍物信息计算机器人的实际安全工作空间，并更新其运动规划，提高机器人作业的安全性。
附图说明
图1为本公开实施例1的机器人的协同控制方法的流程图；
图2为本公开实施例1的机器人的示意图；
图3为本公开实施例2的机器人的协同控制***的模块示意图；
图4为本公开实施例3的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本公开，但并不因此将本公开限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种机器人的协同控制方法，所述协同控制方法包括：
步骤S101、建立多个坐标系；
具体地，所述多个坐标可以包括世界坐标系world，机器人基座坐标系rbase，机器人工具坐标系base，工件坐标系wobj，导轨基座坐标系rbase。这些坐标系之间存在如下转换关系：
其中，为机器人工具坐标系tool相对于工件坐标系wobj的转换矩阵；为世界坐标系world相对于工件坐标系wobj的转换矩阵；/>为导轨基座坐标系rbase相对于世界坐标系world的转换矩阵，在导轨安装固定完成后，该矩阵为一个常值矩阵，因此可以将世界坐标系world选定为与导轨基座坐标系rbase重合，这种情况下/>为单位矩阵；/>为机器人基座坐标系base相对于导轨基座坐标系rbase的转换矩阵；为机器人工具(夹具)坐标系tool相对于机器人基座坐标系base的转换矩阵，由机器人DH参数，各关节角度以及工具参数决定。
本方案中，建立多个坐标系是为了建立机器人末端工具与待操作的工件之间的空间位置关系，以便机器人工具可以直接对工件进行操作。
步骤S102、获取机器人工具的用户设置信息，并根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹；其中，所述用户设置信息包括机器人工具的工作点位、动作状态及夹持力度。
步骤S103、根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数；
具体地，轨迹可以包括轨迹中每一步的目标位置(target position)，目标速度(target velocity)，目标加速度(target acceleration)。
步骤S104、将所述目标参数发送至驱动装置，以对机器人各个关节轴、机器人工具和导轨进行协同控制；
如图2所示，本方案中，机器人包括机器人本体(机器人各关节)驱动装置、夹具(机器人工具)驱动装置、导轨驱动装置及机器人控制器。机器人本体驱动装置：用于驱动机器人本体各个关节进行旋转或者平移运动，实现方式可以是电机加电机驱动器。夹具驱动装置：用于驱动夹具进行夹具开合，夹持等操作，实现方式可以是电机加电机驱动器；导轨驱动装置：用于驱动导轨进行移动，导轨移动方式可以是直线移动、曲线移动或者旋转运动，实现方式可以是电机加电机驱动器；机器人控制器可以同时控制机器人各个关节轴、机器人工具和导轨，控制器包括存储器，处理器以及存储在所述存储器上并可以在所述处理器上运行的机器人和外部轴的协同控制程序。
本方案实现通过在***坐标系中构建机器人基座坐标系、机器人工具坐标系和导轨坐标系，并建立统坐标系与机器人基座坐标系、机器人工具坐标系和导轨坐标系之间的转换关系进行路径规划，进而实现机器人de各个关节、机器人工具和导轨之间的协同控制，协同规划了机器人本与导轨之间的协同运动轨迹、相互配合的机器人工具操作，有效提高了机器人各个关节轴、机器人工具和导轨之间协同控制的效率，从而提高机器人工作效率；
另一方面，在机器人基座移动过程中，障碍物在机器人基座坐标系中的位置信息可以通过机器人基座坐标系与导轨基座坐标系之间的转换矩阵求得，实时根据机器人周围的障碍物信息计算机器人的实际安全工作空间，并更新其运动规划，提高机器人作业的安全性。
在一可实施的方式中，所述协同控制方法包括：
获取障碍物在世界坐标系中的位置信息；
通过机器人基座坐标系base与导轨基座坐标系rbase之间的转换矩阵得到所述障碍物在机器人基座坐标系base中的位置信息；
获取机器人工具的用户设置信息和机器人基座坐标系的障碍物信息，根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹。
其中，障碍物可以是立方体，球体等规则空间形状或者这些形状的组合体。本方案中，可以结合使用环境传感器，如视觉，激光，光电等传感器，实时检测机器人周围的障碍物，计算机器人的动态安全空间并更新其运动规划。
本方案中，利用坐标转换的方式，将障碍物的位置信息在机器人基座坐标系中计算出来。障碍物信息相对于世界坐标系world是确定的，而且世界坐标系world选择与导轨基座坐标系rbase重合，因此障碍物信息相对于导轨基座坐标系rbase也是确定的。对于随着导轨移动的机器人来说，障碍物信息是动态变化的。
在机器人处于导轨零位(导轨零位可以选择为导轨基座坐标系rbase原点)时，机器人基座坐标系base与导轨基座坐标系rbase重合，障碍物在机器人基座坐标系base中的位置信息与障碍物在世界坐标系world中的位置信息是一样的。在机器人基座移动过程中，障碍物在机器人基座坐标系base中的位置信息可以通过机器人基座坐标系base与导轨基座坐标系rbase之间的转换矩阵求得。
在一可实施的方式中，所述根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数的具体步骤包括：
根据所述机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的运动轨迹，通过机器人逆运动学和/或机器人逆动力学，确定机器人各个关节轴、机器人工具和导轨对应的参数。
本方案中，确定机器人各轴以及夹具、导轨的过程全部是在机器人控制器里进行的。本方案中，将夹具和导轨的目标位置速度力矩的计算被放在机器人控制器中进行，作为机器人的外轴与机器人本体自身的各个轴一起进行轨迹规划计算。从而避免了机器人各轴的目标位置速度力矩、夹具的目标位置速度力矩及导轨的目标位置速度力矩计算在不同控制器中进行，例如，机器人各轴的目标位置速度力矩的计算在机器人控制器里进行，而夹具的目标位置速度力矩的计算在夹具控制器进行，导轨的目标位置速度力矩的计算在导轨控制器进行。
实施例2
如图3所示，本实施例公开了一种机器人的协同控制***，所述协同控制***用于对应实现实施例1的机器人的协同控制方法，所述协同控制***包括：
坐标系建立模块1，用于建立多个坐标系，所述多个坐标包括世界坐标系world、机器人基座坐标系base、机器人工具坐标系tool、工件坐标系wobj及导轨基座坐标系rbase，所述多个坐标系之间的转换关系如下：
第一获取模块2，用于获取机器人工具的用户设置信息，并根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹；
计算模块3，用于根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数；
发送模块4，用于将所述目标参数发送至驱动装置，以对机器人各个关节轴、机器人工具和导轨进行协同控制。
在一可实施的方式中，所述协同控制***还包括：
第二获取模块5，用于获取障碍物在世界坐标系中的位置信息；
转换模块6，用于通过机器人基座坐标系base与导轨基座坐标系rbase之间的转换矩阵得到所述障碍物在机器人基座坐标系base中的位置信息；
第三获取模块7，用于获取机器人工具的用户设置信息和机器人基座坐标系的障碍物信息，根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹。
在一可实施的方式中，所述计算模块具体用于：
根据所述机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的运动轨迹，通过机器人逆运动学和/或机器人逆动力学，确定机器人各个关节轴、机器人工具和导轨对应的参数。
实施例3
图4为本公开实施例3提供的一种电子设备的结构示意图。所述电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例1所提供的机器人的协同控制方法。图4显示的电子设备40仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图4所示，电子设备40可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备40的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器41、上述至少一个存储器42、连接不同***组件(包括存储器42和处理器41)的总线43。
总线43包括数据总线、地址总线和控制总线。
存储器42可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)421和/或高速缓存存储器422，还可以进一步包括只读存储器(ROM)423。
存储器42还可以包括具有一组(至少一个)程序模块424的程序/实用工具425，这样的程序模块424包括但不限于：操作***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
处理器41通过运行存储在存储器42中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如本公开实施例1所提供的机器人的协同控制方法。
电子设备40也可以与一个或多个外部设备44(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口45进行。并且，模型生成的设备40还可以通过网络适配器46与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器46通过总线43与模型生成的设备40的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的设备40使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID(磁盘阵列)***、磁带驱动器以及数据备份存储***等。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
实施例4
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实施例1所提供的机器人的协同控制方法。
其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。
在可能的实施方式中，本公开还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行实现实施例1所提供的机器人的协同控制方法。
其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开的程序代码，所述程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。
虽然以上描述了本公开的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本公开的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本公开的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人的协同控制方法，其特征在于，所述协同控制方法包括：
建立多个坐标系，所述多个坐标包括世界坐标系world、机器人基座坐标系base、机器人工具坐标系tool、工件坐标系wobj及导轨基座坐标系rbase，所述多个坐标系之间的转换关系如下：
获取机器人工具的用户设置信息，并根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹；
根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数；
将所述目标参数发送至驱动装置，以对机器人各个关节轴、机器人工具和导轨进行协同控制。
2.如权利要求1所述的机器人的协同控制方法，其特征在于，所述协同控制方法包括：
获取障碍物在世界坐标系中的位置信息；
通过机器人基座坐标系base与导轨基座坐标系rbase之间的转换矩阵得到所述障碍物在机器人基座坐标系base中的位置信息；
获取机器人工具的用户设置信息和机器人基座坐标系的障碍物信息，根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹。
3.如权利要求1至2中任意一项所述的机器人的协同控制方法，其特征在于，所述根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数的步骤包括：
根据所述机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的运动轨迹，通过机器人逆运动学和/或机器人逆动力学，确定机器人各个关节轴、机器人工具和导轨对应的参数。
4.如权利要求1所述的机器人的协同控制方法，其特征在于，所述目标参数包括目标位置、目标速度及目标力矩。
5.如权利要求1或2所述的机器人的协同控制方法，其特征在于，所述世界坐标系world选择与导轨基座坐标系rbase重合。
6.如权利要求1所述的机器人的协同控制方法，其特征在于，所述轨迹包括目标位置、目标速度及目标加速度。
7.如权利要求1所述的机器人的协同控制方法，其特征在于，所述用户设置信息包括机器人工具的工作点位、动作状态及夹持力度。
8.一种机器人的协同控制***，其特征在于，所述协同控制***包括：
坐标系建立模块，用于建立多个坐标系，所述多个坐标包括世界坐标系world、机器人基座坐标系base、机器人工具坐标系tool、工件坐标系wobj及导轨基座坐标系rbase，所述多个坐标系之间的转换关系如下：
第一获取模块，用于获取机器人工具的用户设置信息，并根据所述转换关系确定机器人工具坐标系tool在工件坐标系wobj下的轨迹；
计算模块，用于根据所述轨迹计算机器人各个关节轴、机器人工具和导轨的目标参数；
发送模块，用于将所述目标参数发送至驱动装置，以对机器人各个关节轴、机器人工具和导轨进行协同控制。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述的机器人的协同控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，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如权利要求1至4任一项所述的机器人的协同控制方法的步骤。
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