工業機器人性能測試的工作空間確定方法與流程

2023-07-24 14:34:26

本發明屬於工業機器人性能測試技術領域，尤其涉及一種工業機器人性能測試的工作空間確定方法。

背景技術：

工業機器人是高端智能裝備的代表，被喻為「製造業皇冠頂端的明珠」。根據國家相關法規規定，工業機器人在出廠前或者長時間使用後需要對其進行性能方面的測試，《gb/t12642-2013工業機器人性能規範及試驗方法》對工業機器人的各項性能指標及試驗方法進行了明確詳細的闡述。其中，機器人工作空間的確定是測試多項重要性能指標的必要條件。

目前，關於機器人工作空間的確定尚無通用化、系統化、實用化的方法。傳統的方法一般採用機器人示教的方法，該方法需要專業人員對機器人進行手動調試，需嘗試將機器人運動至極限位置，存在潛在的危險；同時，操作過程繁瑣，耗費時間長，還難以保證該工作空間的準確性，影響機器人性能測試結果的有效性。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種工業機器人性能測試的，方便、快捷、準確的工作空間確定方法。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供一種工業機器人性能測試的工作空間確定方法，機器人由連杆0、連杆1、連杆2、連杆3、連杆4、連杆5依次串聯而成，連杆0與連杆1通過關節1連接，連杆1與連杆2通過關節2連接，連杆2與連杆3通過關節3連接，連杆3與連杆4通過關節4連接，連杆4與連杆5通過關節5連接，機器人末端設有關節6，其特徵在於：該方法由以下6個步驟組成：

步驟1：在所述連杆0、連杆1、連杆2、連杆3、連杆4、連杆5上各固接一個坐標系，分別為o0-x0-y0-z0、o1-x1-y1-z1、o2-x2-y2-z2、o3-x3-y3-z3、o4-x4-y4-z4、o5-x5-y5-z5，在所述機器人末端固接一個坐標系o6-x6-y6-z6，確定連杆1坐標系原點在機器人基坐標系下的位置信息、各連杆幾何參數及各關節的運動範圍；

步驟2：根據各關節的運動範圍，構造出連杆4末端的四個圓弧——圓弧1、圓弧2、圓弧3、圓弧4的軌跡方程，機器人連杆4末端的運動空間剖面圖由圓弧1、圓弧2、圓弧3、圓弧4首尾連接而成；

步驟3：將所述連杆4末端的運動空間剖面圖沿著機器人基坐標系軸線偏移設定的距離，獲得機器人工作空間剖面圖，由此確定機器人的工作空間。

優選地，所述步驟1中，各連杆幾何參數包括：連杆1坐標系原點在機器人基坐標系下的位置矢量連杆1坐標系原點與連杆2坐標系原點之間的距離l1＝o1o2，連杆2坐標系原點與連杆4坐標系原點之間的距離l2＝o2o4，連杆5坐標系原點與機器人末端之間的距離l3＝o5o6。

優選地，所述步驟2中，圓弧1的軌跡生成及計算方法為：

a、操縱機器人運動至零位，並將關節3運動至其轉角下限位置，讀出此時關節3轉角值記作

b、鎖定其他關節，單獨操縱關節2運動，獲得連杆4末端的圓弧1運動軌跡，圓弧1半徑記作r1；

c、根據三角形餘弦公式有：所述圓弧1運動軌跡方程為其中，θ2為關節2的轉角，為關節3的轉角上限。

優選地，所述步驟2中，圓弧2的軌跡生成及計算方法為：

a、操縱機器人運動至延伸位置奇點；

b、鎖定其它關節，單獨操縱關節2運動，獲得連杆4末端的圓弧2運動軌跡；圓弧2半徑記作r2，則r2＝l2+l3；

c、所述圓弧2運動軌跡方程為其中，θ2為關節2的轉角。

優選地，所述步驟2中，圓弧3的軌跡生成及計算方法為：

a、操縱機器人關節2，將其運動至轉角上限位置；

b、鎖定其它關節，單獨操縱關節3運動，獲得連杆4末端的圓弧3運動軌跡；

c、所述圓弧3運動軌跡方程為其中，為關節2的轉角下限，θ3為關節3的轉角。

優選地，所述步驟2中，圓弧4的軌跡生成及計算方法為：

a、操縱機器人關節2，將其運動至轉角下限位置；

b、鎖定其它關節，單獨操縱關節3運動，獲得連杆4末端的圓弧4運動軌跡；

c、所述圓弧4運動軌跡方程為其中，為關節2的轉角上限，θ3為關節3的轉角。

優選地，所述步驟3中，機器人工作空間的求取原理為：對於六關節串聯式工業機器人，前三個關節決定了機器人末端執行器的位置，而後三個關節決定了機器人末端執行器的姿態；因此，機器人連杆4末端的位置和機器人末端執行器的位置具有一致性，僅需將連杆4末端的運動空間剖面圖沿著矢量偏移，便可得到機器人的工作空間剖面圖。

優選地，所述步驟3中，將圓弧1運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧5軌跡，將圓弧2運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧6軌跡，將圓弧3運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧7軌跡，將圓弧4運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧8軌跡，機器人的工作空間剖面圖由圓弧5、圓弧6、圓弧7、圓弧8首尾連接而成。

本發明創新性的提出了通過理論推導結合數學計算來確定機器人工作空間的方法，該方法操作過程不需要手動示教機器人，簡單方便，適用範圍廣，有效提高了機器人性能測試效率和準確度，從而使機器人的應用更為廣泛。

附圖說明

圖1為工業機器人及連杆坐標系示意圖；

圖2為工業機器人連杆四末端的運動空間剖面圖；

圖3為工業機器人工作空間剖面圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。

典型的六關節串聯式工業機器人如圖1所示，由連杆0、連杆1、連杆2、連杆3、連杆4、連杆5依次串聯而成，圖1中，0～5分別表示連杆0～連杆5。連杆0與連杆1通過關節1連接，連杆1與連杆2通過關節2連接，連杆2與連杆3通過關節3連接，連杆3與連杆4通過關節4連接，連杆4與連杆5通過關節5連接，機器人末端即連杆5末端設有關節6。

本發明的工業機器人性能測試的工作空間確定方法，步驟如下：

步驟1：在機器人的依次串聯的連杆0、連杆1、連杆2、連杆3、連杆4、連杆5上各固接一個坐標系，分別為o0-x0-y0-z0、o1-x1-y1-z1、o2-x2-y2-z2、o3-x3-y3-z3、o4-x4-y4-z4、o5-x5-y5-z5，在機器人末端固接一個坐標系o6-x6-y6-z6，確定連杆1坐標系原點在機器人基坐標系下的位置信息、各連杆幾何參數及各關節的運動範圍。

各連杆幾何參數包括：連杆1坐標系原點在機器人基坐標系下的位置矢量連杆1坐標系原點與連杆2坐標系原點之間的距離l1＝o1o2，連杆2坐標系原點與連杆4坐標系原點之間的距離l2＝o2o4，連杆5坐標系原點與機器人末端tcp之間的距離l3＝o5o6。

步驟2：根據各關節運動範圍，構造出連杆4末端的四個圓弧軌跡方程，確定機器人連杆4末端的運動空間剖面圖。

如圖2、圖3所示，圓弧1的軌跡生成及計算方法：

1.操縱機器人運動至零位(各連杆均運動至零點)，並將關節3運動至其轉角下限位置，讀出此時關節3轉角值記作

2.鎖定其他關節，單獨操縱關節2運動，獲得連杆4末端的圓弧1運動軌跡。圓弧1半徑記作r1。

3.根據三角形餘弦公式有：所述圓弧1運動軌跡方程為其中，θ2為關節2的轉角，為關節3的轉角上限。

圓弧2的軌跡生成及計算方法：

1.操縱機器人運動至延伸位置奇點。

2.鎖定其它關節，單獨操縱關節2運動，獲得連杆4末端的圓弧2運動軌跡。圓弧2半徑記作r2，其中r2＝l2+l3。

3.所述圓弧2運動軌跡方程為其中，θ2為關節2的轉角。

圓弧3的軌跡生成及計算方法：

1.操縱機器人關節2，將其運動至轉角上限位置。

2.鎖定其它關節，單獨操縱關節3運動，獲得連杆4末端的圓弧3運動軌跡。

3.所述圓弧3運動軌跡方程為其中，為關節2的轉角下限，θ3為關節3的轉角。

圓弧4的軌跡生成及計算方法：

1.操縱機器人關節2，將其運動至轉角下限位置。

2.鎖定其它關節，單獨操縱關節3運動，獲得連杆4末端的圓弧4運動軌跡。

3.所述圓弧4運動軌跡方程為其中，為關節2的轉角上限，θ3為關節3的轉角。

機器人連杆4末端的運動空間剖面圖由圓弧1、圓弧2、圓弧3、圓弧4首尾連接而成。

步驟3：將所述連杆4末端的運動空間剖面圖沿著機器人基坐標系軸線偏移一段設定的距離，獲得機器人工作空間剖面圖。

機器人工作空間的求取原理為：對於六關節串聯式工業機器人，其前3個關節決定了機器人末端執行器的位置，而後3個關節決定了機器人末端執行器的姿態。因此，機器人連杆4末端的位置和機器人末端執行器的位置具有一致性，僅需將連杆4末端的運動空間剖面圖沿著矢量偏移，便可得到機器人的工作空間剖面圖。

將圓弧1運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧5軌跡，將圓弧2運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧6軌跡，將圓弧3運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧7軌跡，將圓弧4運動軌跡沿著矢量偏移得到圓弧8軌跡，機器人的工作空間剖面圖由圓弧5、圓弧6、圓弧7、圓弧8首尾連接而成，如圖3所示。