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工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):2311153閱讀:740來源:國知局
專利名稱:工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型是一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng),特別是一種噴涂機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng),屬于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)
近年來,噴涂機(jī)器人由于噴涂周期短,精度高,效益好,可在惡劣的環(huán)境下長時(shí)間 工作等特點(diǎn),在越來越多的噴涂場合得到應(yīng)用。但到目前為止,還沒有一個(gè)綜合的噴涂機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)出現(xiàn),傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)一般采用示教編程,不 但繁瑣,往往還需要先有樣品才能示教。現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)一般 功能單一,不具備綜合化的性能評(píng)估系統(tǒng),尤其是在噴涂機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域,更是缺少專門的 系統(tǒng)平臺(tái)。因此,開發(fā)一種基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué),使得噴涂效果最優(yōu)的噴涂機(jī)器人離線編程系 統(tǒng)已迫在眉睫。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展,建立實(shí)際物體及周圍環(huán)境的模型變得非常方便。噴涂 作業(yè)的對(duì)象一般是自由面,利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)對(duì)這種表面的造型有多種方法=Bezier法, Coon/Ferguson法,B樣條法,NUB (非均勻B樣條)法,NURB (非均勻有理B樣條)法及它 們之間的任意組合。這些方法各有自己的優(yōu)點(diǎn),Bezier法是以逼近為基礎(chǔ),利用控制多邊 形或控制多面形來生成曲線或曲面,使得曲線和曲面的設(shè)計(jì)更容易。Coons(孔斯)曲面采 用分段曲線拼合來構(gòu)造復(fù)雜曲線,采用可以是任意類型參數(shù)曲線的四條邊界來構(gòu)造曲面, 并且法林提出確定雙三次混合孔斯曲面片邊界跨界切矢量的方法。B樣條法因其局部傳播 性以及形狀可控性突出,故使用廣泛。獲得實(shí)際物體模型的方法有多種,除了通過計(jì)算機(jī)圖 形學(xué)直接造型外,還可以通過接口讀取其他CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù),或者通過掃描實(shí)物來獲得模 型數(shù)據(jù)。軌跡規(guī)劃無論在理論研究,還是在工程應(yīng)用方面,都越來越成熟。以噴涂對(duì)象的幾 何模型為基礎(chǔ),建立噴涂過程中漆膜厚度生長模型和評(píng)價(jià)噴涂效果的目標(biāo)泛函,在滿足機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束的前提下,求取目標(biāo)泛函的極值,規(guī)劃出使噴涂效果最佳的噴槍 路徑,方向和速度。現(xiàn)有的插值方法有多種,如線性插值,拉格朗日插值,分段插值,三階B 樣條插值等,且都有成熟的算法,這為關(guān)節(jié)變量進(jìn)行插值提供了方便。在大系統(tǒng)中,由于要調(diào)用和生成大量的數(shù)據(jù),如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和 儲(chǔ)存,成為了一個(gè)突出的問題。數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生,為解決這一問題提供了一種很好的方法,通 過對(duì)系統(tǒng)建立專用的數(shù)據(jù)庫,不但方便讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率,而且方便 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理和移植,增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)多而成熟,其中常用的有 IBM 的 DB2, Oracle, Informix, Sybase, SQL Server 禾口 Access 等。日本發(fā)那株式會(huì)社申請(qǐng)的中國實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)?00510088687.X)中提出 了一種加工程序生成裝置,主要組成有離線編程裝置,視覺傳感器,機(jī)器人控制裝置和通信 裝置等。在離線編程裝置中是制定工件形狀的頂點(diǎn),棱線端點(diǎn)作為示教點(diǎn),生成加工路徑, 從而生成加工程序,并通過視覺傳感器獲得的實(shí)際工件的位置姿態(tài)對(duì)程序進(jìn)行修正,本質(zhì)上該方法并沒有脫離示教編程。上海交通大學(xué)申請(qǐng)的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)(申請(qǐng)?zhí)?200710043744. 1)主要有文本編輯與代碼轉(zhuǎn)換模塊,圖形化校驗(yàn)?zāi)K,通信與遠(yuǎn)程控制模 塊。所實(shí)現(xiàn)的功能主要是由G代碼數(shù)控程序到Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人用的INF0RMII代碼工作程 序的轉(zhuǎn)換,生成Μ0ΤΑΜΑΝ機(jī)器人工作文件,并以三維圖形進(jìn)行仿真與校驗(yàn)。這種方法功能單 一,通用性不強(qiáng),只能應(yīng)用于特定型號(hào)的機(jī)器人,且缺少綜合化的性能評(píng)估與分析系統(tǒng)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于考慮上述問題而提供一種準(zhǔn)確度高,生產(chǎn)效率高的工業(yè)機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是本實(shí)用新型的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng), 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng),其特征在于包括有用于實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)和信息的存儲(chǔ) 與管理的數(shù)據(jù)庫模塊、在運(yùn)行過程中將所需各種參數(shù)的輸入和對(duì)其它模塊的控制的人機(jī)交 互模塊、自動(dòng)生成使噴涂效果最佳的噴槍軌跡的噴槍軌跡規(guī)劃模塊、圖形化顯示噴槍沿規(guī) 劃路徑噴涂時(shí)工件表面的涂覆情況,并以列表形式給出工件表面上漆膜的平均厚度及其偏 差數(shù)據(jù)的分析與顯示模塊、用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作指令的生成的機(jī)器人作業(yè)指令生成模塊、 實(shí)現(xiàn)內(nèi)部與外部之間的信息傳輸?shù)耐ㄐ排c接口模塊,用戶通過人機(jī)交互模塊向通信與接口 模塊發(fā)出導(dǎo)入機(jī)器人或噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)的控制指令后,通信與接口模塊根據(jù)人機(jī)交互模塊的 指令類型將外部的機(jī)器人模型或噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫模塊中的對(duì)應(yīng)子數(shù)據(jù)庫中;根據(jù) 人機(jī)交互模塊傳遞的軌跡規(guī)劃方法、插值方法等控制信息和相對(duì)位置、噴槍開口角等參數(shù), 再根據(jù)數(shù)據(jù)庫模塊傳遞的機(jī)器人模型和噴涂任務(wù)數(shù)據(jù),完成軌跡規(guī)劃;當(dāng)人機(jī)交互模塊向 分析與顯示模塊發(fā)出開始噴涂的控制指令時(shí),分析與顯示模塊會(huì)將噴槍軌跡規(guī)劃模塊中得 到的關(guān)節(jié)變量調(diào)入,同時(shí)從數(shù)據(jù)庫模塊中讀入機(jī)器人模型和噴涂任務(wù)數(shù)據(jù),從人機(jī)交互模 塊中獲得相應(yīng)的噴涂參數(shù),進(jìn)行噴涂過程的顯示;在獲得滿意的噴涂效果后,人機(jī)交互模塊 將向數(shù)據(jù)庫模塊發(fā)出存儲(chǔ)關(guān)節(jié)變量的控制指令,將最佳噴涂效果對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量存入數(shù)據(jù) 庫模塊中;人機(jī)交互模塊在人機(jī)交互模塊向機(jī)器人作業(yè)指令生成模塊發(fā)出生成機(jī)器人作業(yè) 指令的命令后,機(jī)器人作業(yè)指令生成模塊調(diào)取數(shù)據(jù)庫模塊中的關(guān)節(jié)變量,完成作業(yè)指令的 生成,如果加入了新的機(jī)器人模型,通過人機(jī)交互模塊輸入的轉(zhuǎn)換代碼將自動(dòng)加入到機(jī)器 人作業(yè)指令生成模塊中;當(dāng)人機(jī)交互模塊向通信與接口模塊發(fā)出下載代碼指令時(shí),機(jī)器人 作業(yè)指令生成模塊生成的機(jī)器人作業(yè)指令將通過通信與接口模塊和通訊電纜傳遞到機(jī)器 人控制器中。上述數(shù)據(jù)庫模塊包括噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫模塊,噴涂機(jī)器人模型模塊,噴涂軌跡數(shù)據(jù) 庫模塊,關(guān)節(jié)軌跡數(shù)據(jù)庫模塊,關(guān)節(jié)力矩?cái)?shù)據(jù)庫模塊,噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫模塊用于存放經(jīng)過造 型后物體的CAD數(shù)據(jù),或是通過接口讀取的其他CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù),也可以是通過掃描實(shí)物來 獲得的模型數(shù)據(jù),噴涂機(jī)器人模型模塊用于存儲(chǔ)用戶通過接口導(dǎo)入的機(jī)器人模型數(shù)據(jù),噴 涂軌跡數(shù)據(jù)庫模塊存儲(chǔ)的是在滿足約束條件的前提下噴涂效果最佳的噴涂軌跡,關(guān)節(jié)軌跡 數(shù)據(jù)庫模塊存放通過運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到的機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,角速度和角 加速度或者是特征點(diǎn)經(jīng)過不同的插值處理后所生成的關(guān)節(jié)軌跡,關(guān)節(jié)速度和角速度,關(guān)節(jié) 力矩?cái)?shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)不同時(shí)刻關(guān)節(jié)力矩的存儲(chǔ)。上述數(shù)據(jù)庫模塊包括數(shù)據(jù)庫的管理菜單,管理菜單實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫中不同對(duì)象的有效管理,包括添加,刪除,修改,存儲(chǔ)功能。 上述人機(jī)交互模塊包括噴涂參數(shù)設(shè)置模塊,控制模塊和程序編輯模塊。通過噴涂 參數(shù)設(shè)置模塊,用戶可以設(shè)置機(jī)器人參數(shù),噴涂參數(shù),軌跡規(guī)劃和插值的方法,噴槍的開口 角、環(huán)境變量等參數(shù),在控制模塊中,用戶可以通過菜單,控制是否運(yùn)行作業(yè)指令生成模塊, 是否將生成的指令代碼文件通過通信與接口模塊傳送到機(jī)器人控制器中,及是否導(dǎo)入外界 噴涂任務(wù)和機(jī)器人模型數(shù)據(jù),還可以通過點(diǎn)擊菜單選項(xiàng)查看關(guān)節(jié)變量的曲線,程序編輯模 塊是專為增加機(jī)器人作業(yè)語言編程規(guī)則而設(shè)計(jì)的開放接口,用戶通過通信與接口模塊導(dǎo)入 新的機(jī)器人型號(hào),可以通過程序編輯界面,遵循該機(jī)器人型號(hào)對(duì)應(yīng)語言的語法規(guī)則,添加代 碼轉(zhuǎn)化模塊。上述噴槍軌跡規(guī)劃模塊包括直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃和關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃。直 角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)噴涂過程中油漆厚度生長模型和評(píng)價(jià)噴涂效果的目標(biāo)泛函的建 立,通過極大極小值算法求取目標(biāo)泛函的極值,自動(dòng)生成能使噴涂效果最佳的噴槍軌跡,另 外,還可以根據(jù)噴槍設(shè)置模塊中設(shè)定的噴槍走向,對(duì)噴槍軌跡進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,得到優(yōu)化的噴 槍軌跡,最后根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆解的方法求出機(jī)器人關(guān)節(jié)軌跡,實(shí)現(xiàn)從直角坐標(biāo)空間到關(guān)節(jié) 坐標(biāo)空間的轉(zhuǎn)化。由于可能出現(xiàn)最優(yōu)噴槍軌跡上的有些點(diǎn)不在機(jī)器人工作空間內(nèi)的情況, 因此必須經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整和仿真才能得到滿意的噴槍軌跡,關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃是在直 角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上完成的,首先通過直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃獲得優(yōu)化的噴槍軌 跡,接著,取出滿足約束條件的軌跡特征點(diǎn),求出特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量,再采用不同的插 值方法對(duì)關(guān)節(jié)變量進(jìn)行插值運(yùn)算,通過仿真和分析,用戶可以選出一種比較適用該噴涂任 務(wù)的插值方法。如果對(duì)噴涂效果不滿意,可以多取一些滿足約束的特征點(diǎn),如果一味的增加 特征點(diǎn)仍不能獲得滿意的噴涂效果,則需要修改一些特征點(diǎn),直到得到滿意的噴涂效果為 止。上述插值模塊包括三次多項(xiàng)式插值,過路徑點(diǎn)的三次多項(xiàng)式插值,五次多項(xiàng)式進(jìn) 行插值,用拋物線過渡的線性插值,過路徑點(diǎn)的用拋物線過渡的線性插值,三階B樣條插值。上述分析與顯示模塊包括機(jī)器人模型的顯示,噴涂任務(wù)的顯示,噴涂過程中機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)情況和噴涂效果的顯示,關(guān)節(jié)變量的曲線的顯示,噴涂時(shí)間的顯示。該模塊根據(jù)以上 模塊所提供的數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)仿真噴涂過程中被噴涂對(duì)象和機(jī)器人的狀態(tài),顯示各種變量的變 化規(guī)律,并以列表的形式給出噴涂過程所用能量,漆膜的平均厚度,偏差與均方差,以方便 用戶檢查機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩是否滿足其約束條件,是否發(fā)生機(jī)械手碰撞工件的情 況,離線觀察噴槍末端的可達(dá)性,比較哪種軌跡規(guī)劃的方法用時(shí)最短,消耗能量最少,哪種 插值方法最合理。為修改噴槍參數(shù)、路徑,進(jìn)而獲得最佳的噴涂效果提供依據(jù)。上述機(jī)器人作業(yè)指令生成模塊包括關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)的讀取模塊,關(guān)節(jié)脈沖的生成模塊, 語言轉(zhuǎn)化模塊的選取和生成模塊,關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)的讀取模塊完成從關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)庫中讀取關(guān)節(jié)數(shù)據(jù) 的任務(wù);關(guān)節(jié)脈沖的生成模塊實(shí)現(xiàn)由關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)向關(guān)節(jié)脈沖值的轉(zhuǎn)化;語言轉(zhuǎn)化模塊的選取 和生成模塊完成與機(jī)器人型號(hào)對(duì)應(yīng)語言轉(zhuǎn)換模塊的自動(dòng)選取,并實(shí)現(xiàn)由關(guān)節(jié)脈沖向機(jī)器人 語言的轉(zhuǎn)化,生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所必需的作業(yè)指令,為得到通用的平臺(tái),該模塊采用了開放式 的編程方法,除了平臺(tái)所提供的三種常用型號(hào)機(jī)器人的語言轉(zhuǎn)化模塊外,用戶可以通過模 塊化的編程方式,在機(jī)器人語言轉(zhuǎn)化程序編輯區(qū)添加與自己導(dǎo)入的機(jī)器人模型相對(duì)應(yīng)的程序轉(zhuǎn)化模塊。最后,該模塊根據(jù)用戶所設(shè)置的機(jī)器人類型,自動(dòng)選擇與之對(duì)應(yīng)的語言轉(zhuǎn)化模 塊,通過調(diào)用存儲(chǔ)在關(guān)節(jié)軌跡數(shù)據(jù)庫中的關(guān)節(jié)軌跡,完成關(guān)節(jié)軌跡到關(guān)節(jié)脈沖的轉(zhuǎn)化,根據(jù) 語法要求,生成作業(yè)指令文件,并將其保存在專用的工程文件夾中。上述通信與接口模塊包括模型數(shù)據(jù)的輸入和作業(yè)指令的輸出,信息通過RS232串 口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,編有專門的端口驅(qū)動(dòng)程序,通過控制菜單實(shí)現(xiàn)對(duì)端口的控制。通過接口 模塊,用戶可以把其他CAD軟件造型的機(jī)器人模型,噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)和掃描得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入 平臺(tái)中,通過處理后,將數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到噴涂機(jī)器人模型數(shù)據(jù)庫和噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫兩個(gè)子 模塊中,以便在軌跡規(guī)劃和顯示時(shí)調(diào)用。當(dāng)機(jī)器人作業(yè)指令文件生成后,遵循該型號(hào)機(jī)器人 的通信協(xié)議,通過通信與接口模塊將其傳送到機(jī)器人控制器中,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴涂作業(yè)的遠(yuǎn) 程控制。本實(shí)用新型的系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的示教編程系統(tǒng),編程速度快,準(zhǔn)確度高,且編程是 離線進(jìn)行,不占用機(jī)器人的工作時(shí)間,生產(chǎn)效率高。傳統(tǒng)的示教編程一般靠示教工人手動(dòng) 操作機(jī)器人,獲得噴涂軌跡,而本實(shí)用新型的系統(tǒng)是在噴涂任務(wù)模型的基礎(chǔ)上,由計(jì)算機(jī)得 出的噴涂軌跡,因而工作效率和準(zhǔn)確度都會(huì)大大提高。而且,在離線編程時(shí),機(jī)器人仍可以 繼續(xù)工作,兩者互不影響,為機(jī)器人節(jié)省了寶貴的工作時(shí)間。相對(duì)于以往的噴涂機(jī)器人離線 編程系統(tǒng),本實(shí)用新型的系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是功能完善。它可以對(duì)多種型號(hào)的機(jī)器人進(jìn)行離 線編程,生成不同語言的作業(yè)文件,對(duì)同一種型號(hào)的機(jī)器人又提供了不同的軌跡規(guī)劃方法 和插值方法,并可以通過綜合化的性能評(píng)估系統(tǒng)對(duì)各種插值方法所產(chǎn)生的噴涂效果,能量 消耗,噴涂時(shí)間進(jìn)行比較。因此既可作為科學(xué)研究,又可用于實(shí)際噴涂作業(yè)系統(tǒng)的控制。本 實(shí)用新型系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是通用性強(qiáng),用戶不但可以對(duì)平臺(tái)所提供的機(jī)器人類型進(jìn)行離 線編程,還可以根據(jù)自己的需要,不斷添加新的機(jī)器人類型和與之對(duì)應(yīng)的語言轉(zhuǎn)化模塊。因 此,可用于各種型號(hào)機(jī)器人的離線編程。本實(shí)用新型是一種設(shè)計(jì)巧妙,性能優(yōu)良,方便實(shí)用 的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)。

圖1為本實(shí)用新型的原理框圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)方法的原理圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)例進(jìn)行說 明,本實(shí)施例以本實(shí)用新型的內(nèi)容為作為技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人的離線編程,是本 實(shí)用新型的一個(gè)應(yīng)用,下面給出了本實(shí)施例的具體操作過程。如圖1所示,本實(shí)施例所涉及到的組成部分有Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人(圖上未畫出)及 其控制器,本實(shí)用新型噴涂機(jī)器人離線編程的綜合平臺(tái),通信電纜等。本實(shí)例中噴涂機(jī)器人離線編程的綜合平臺(tái)包括六個(gè)主要的功能模塊數(shù)據(jù)庫模 塊,人機(jī)交互模塊,噴槍軌跡規(guī)劃模塊,分析與顯示模塊,作業(yè)文件生成模塊,通信與接口模 塊。數(shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人噴槍軌跡和關(guān)節(jié)變量及噴涂任務(wù)的存儲(chǔ)。人機(jī)交互模 塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入和對(duì)其它模塊的控制。噴槍軌跡規(guī)劃模塊用于在滿足所有噴涂約束的前提下,規(guī)劃出一條使噴涂效果最佳的噴槍軌跡,并求出該軌跡對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。分析與顯示 模塊實(shí)現(xiàn)Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人噴涂過程的仿真與分析。作業(yè)文件生成模塊實(shí)現(xiàn)Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人 工作文件生成功能。通信與接口模塊用于噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和作業(yè)文件的上傳下載。本實(shí)例中所述的數(shù)據(jù)庫模塊,在接口從外面的CAD造型數(shù)據(jù)庫中讀取噴涂任務(wù)數(shù) 據(jù)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀取數(shù)據(jù)的接受,并將其存入到噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫中。在軌跡規(guī)劃中,我們 會(huì)得到一條滿足約束條件且噴涂效果最佳的噴槍軌跡和該軌跡對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量,數(shù)據(jù)庫也 實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。所述人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)各種噴涂參數(shù)設(shè)置。在本實(shí)例中,我們只需選擇機(jī)器人的 類型,噴涂任務(wù),軌跡規(guī)劃和插值的方法,設(shè)置噴涂任務(wù)的在直角坐標(biāo)空間中的位置,其它 設(shè)置選項(xiàng)采用平臺(tái)的默認(rèn)值。所述噴槍軌跡規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)噴涂效果最佳的噴槍軌跡的自動(dòng)生成。根據(jù)人機(jī)界面 的設(shè)置,本實(shí)例采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間的軌跡規(guī)劃,首先在噴涂任務(wù)模型的基礎(chǔ)上,建立噴涂過 程中油漆厚度生長模型和評(píng)價(jià)噴涂效果的目標(biāo)泛函,通過極大極小值算法求得噴涂效果最 好時(shí)的噴槍軌跡,選取軌跡的特征點(diǎn),判斷特征點(diǎn)是否在機(jī)器人的工作空間內(nèi),將不在工作 空間內(nèi)的點(diǎn)重新選取,以保證所有的特征點(diǎn)都滿足該條件。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆解和動(dòng)力學(xué)原 理,求得特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度,關(guān)節(jié)角速度,關(guān)節(jié)角加速度及關(guān)節(jié)力矩,通過人機(jī)界面選 取的插值方法,調(diào)取相應(yīng)的插值算法對(duì)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行插值,并求出所有插值點(diǎn)的關(guān)節(jié)角速 度,關(guān)節(jié)角加速度及關(guān)節(jié)力矩。所述分析與顯示模塊實(shí)現(xiàn)Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人按照軌跡規(guī)劃求得的關(guān)節(jié)變量進(jìn)行噴 涂過程的仿真與分析。通過仿真,我們可以觀察噴涂過程中噴涂效果和機(jī)器人的狀態(tài),噴涂 所用時(shí)間,噴涂過程所用能量,漆膜的平均厚度,偏差與均方差。點(diǎn)擊人機(jī)界面上對(duì)應(yīng)的控 制菜單,還可以觀察關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩曲線,關(guān)節(jié)角度曲線,關(guān)節(jié)角速度曲線,關(guān)節(jié)角加速度曲線。如 果對(duì)噴涂效果不滿意或者有的參數(shù)不滿足約束條件,則必須增加或修改特征點(diǎn),重新進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的計(jì)算和仿真,直到得到滿意的結(jié)果為止。最終將噴槍數(shù)據(jù)和關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)存 入數(shù)據(jù)庫中。所述作業(yè)文件生成模塊主要實(shí)現(xiàn)INFR0MII代碼文件的生成。由于Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器 人工作程序?yàn)镮NFR0MII代碼,我們首先從關(guān)節(jié)軌跡數(shù)據(jù)庫中調(diào)取關(guān)節(jié)數(shù)據(jù),通過關(guān)節(jié)脈沖 的生成模塊實(shí)現(xiàn)由關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)向關(guān)節(jié)脈沖值的轉(zhuǎn)化,再調(diào)用Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人程序轉(zhuǎn)化模塊將 關(guān)節(jié)脈沖轉(zhuǎn)化成INFR0MII代碼文件并存于工程默認(rèn)的文件夾中。所述通信與接口模塊實(shí)現(xiàn)噴涂任務(wù)模型的導(dǎo)入和作業(yè)文件的傳輸。在導(dǎo)入噴涂任 務(wù)數(shù)據(jù)時(shí),我們只需點(diǎn)擊控制菜單的相應(yīng)選項(xiàng),選中要讀入的文件,平臺(tái)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用接口 驅(qū)動(dòng)程序,讀取外部的噴涂任務(wù)模型數(shù)據(jù)并存于噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫中。生成機(jī)器人作業(yè)文件 后,點(diǎn)擊控制菜單的相應(yīng)選項(xiàng),彈出選擇對(duì)話框,選中要傳輸?shù)淖鳂I(yè)文件,平臺(tái)會(huì)自動(dòng)調(diào)用 通信驅(qū)動(dòng)程序,按照Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人的通信協(xié)議,將作業(yè)文件下載在機(jī)器人控制器中。本實(shí)用新型應(yīng)用在該實(shí)例中,可按照以下步驟進(jìn)行步驟1 獲取噴涂對(duì)象的數(shù)據(jù)并存入噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫。該平臺(tái)提供了多種獲取噴 涂對(duì)象數(shù)據(jù)的方法。如果噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫中存有被噴涂對(duì)象的信息,則不需要此步驟,否 則,用戶可以控制人機(jī)交互界面上的“獲取噴涂任務(wù)”菜單,選中要讀入的任務(wù),通過通信 與接口模塊就會(huì)從其它文檔或構(gòu)型軟件CAD數(shù)據(jù)庫中讀取,并將其存入到噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)庫中。步驟2 獲取機(jī)器人的三維模型。平臺(tái)中通過OpenGL程序給出了三種常用的機(jī)器 人模型Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人模型,PUMA560機(jī)器人模型,斯坦福機(jī)械人模型。并且通過人機(jī)交 互界面,用戶可以設(shè)置這三種機(jī)器人的連桿長度,連桿質(zhì)量,連桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,各個(gè)關(guān)節(jié)所能 提供的最大轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,如果用戶不對(duì)他們進(jìn)行設(shè)置,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按默認(rèn)值處理。如果用戶通 過構(gòu)型軟件構(gòu)造了自己的機(jī)器人模型,則可以通過控制人機(jī)交互界面上的“獲取機(jī)器人模 型”菜單,從構(gòu)型軟件CAD數(shù)據(jù)庫中讀取,并將其存入到機(jī)器人模型數(shù)據(jù)庫中。本實(shí)例選用 Μ0Τ0ΜΑΝ機(jī)器人模型,連桿和關(guān)節(jié)參數(shù)為默認(rèn)值,因此不需要從平臺(tái)外導(dǎo)入機(jī)器人模型。步驟3 人機(jī)界面設(shè)置。在人機(jī)界面上,用戶可以選擇噴涂任務(wù),機(jī)器人類型,軌跡 規(guī)劃和插值的方法,設(shè)置機(jī)器人變量,環(huán)境變量,噴槍參數(shù),性能指標(biāo)要求,噴涂任務(wù)的位置 等參數(shù),這些參數(shù)將在以下步驟中被調(diào)用。如果用戶沒有設(shè)置這些參數(shù),系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)采用 默認(rèn)值進(jìn)行仿真與分析。本實(shí)例中,只對(duì)機(jī)器人的類型,噴涂任務(wù),軌跡規(guī)劃和插值的方法, 噴涂任務(wù)的在直角坐標(biāo)空間中的位置進(jìn)行設(shè)置,其它參數(shù)采用默認(rèn)值。步驟4 添加語言轉(zhuǎn)換程序。如果步驟2中,導(dǎo)入了新的機(jī)器人模型,則在人機(jī)界 面上的程序添加區(qū),用戶可以添加對(duì)應(yīng)的語言生成模塊,平臺(tái)根據(jù)編程規(guī)則,將語言生成模 塊打包,添加到工作指令生成模塊中,以便在生成代碼時(shí)調(diào)用。在本實(shí)例中,該步驟沒有涉 及到。步驟5 機(jī)器人及工作環(huán)境的三維構(gòu)型。通過人機(jī)界面對(duì)噴涂任務(wù)和機(jī)器人類型 的設(shè)置,顯示模塊自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相應(yīng)的任務(wù)模塊和機(jī)器人模塊數(shù)據(jù),根據(jù)人機(jī)界面 設(shè)置的噴涂任務(wù)的位置和其它參數(shù),完成噴槍的建模,以合適的大小在人機(jī)界面上顯示,其 中機(jī)器人的位置為默認(rèn)值。噴涂對(duì)象位置的設(shè)置必須滿足對(duì)象上所有被噴涂的點(diǎn)必須在機(jī) 器人的可達(dá)工作空間內(nèi)。否則,需要進(jìn)行位置較準(zhǔn)。步驟6 直角坐標(biāo)空間的軌跡規(guī)劃。依據(jù)機(jī)器人及工作環(huán)境的三維構(gòu)型和噴槍的 數(shù)學(xué)模型,建立漆膜厚度的生長模型,再以漆膜厚度的方差作為變量建立目標(biāo)范函。軌跡規(guī) 劃就是在保證理想涂層厚度和允許最大偏差都為定值的約束條件下,尋找一條保證涂層厚 度方差最小,噴涂時(shí)間最短的噴槍軌跡,這是一個(gè)帶約束的多目標(biāo)優(yōu)化問題。為得到噴涂效 果最佳的噴槍軌跡,平臺(tái)設(shè)計(jì)了專門的極大極小值算法求解,再根據(jù)用戶設(shè)定的噴槍走向, 對(duì)噴槍軌跡進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,得到一條優(yōu)化的噴槍軌跡。如果用戶選擇了第一種軌跡規(guī)劃的 方法,則只需直接把上面求得的最優(yōu)噴槍軌跡進(jìn)行機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)求解,如果有 的軌跡點(diǎn)不在機(jī)器人的工作范圍內(nèi),則需要對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后,再求出對(duì)應(yīng)的關(guān) 節(jié)變量,直到分析與仿真得到滿意的效果為止。平臺(tái)還設(shè)計(jì)了專門的算法對(duì)軌跡點(diǎn)接近或 通過機(jī)器人奇異點(diǎn)的情況進(jìn)行處理。在本實(shí)例中,沒有采用這種方法。步驟7 關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間的軌跡規(guī)劃。如果用戶選擇第二種軌跡規(guī)劃方法,同樣需要 求出最優(yōu)噴槍軌跡,然后取機(jī)器人最優(yōu)噴槍軌跡上的特征點(diǎn),判斷其是否在機(jī)器人工作空 間內(nèi),如果不在,需要做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以保證所取特征點(diǎn)都在機(jī)器人工作空間內(nèi),再通過機(jī) 器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求出特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量,根據(jù)用戶選擇的插值方法,調(diào)用插值模塊對(duì)關(guān) 節(jié)變量進(jìn)行插值運(yùn)算。通過仿真,如果指標(biāo)不滿足噴涂要求,增加或修改特征點(diǎn),直到得到 滿意的噴涂效果。本實(shí)例就是采用這種軌跡規(guī)劃方法。步驟8 噴涂過程的動(dòng)態(tài)仿真。將步驟6或7(本實(shí)例中為步驟7)求得的關(guān)節(jié)變量傳遞給步驟5生成的虛擬現(xiàn)實(shí)中,通過噴涂控制菜單控制仿真的過程。仿真完成,觀察噴 涂過程中是否發(fā)生機(jī)器手碰撞工件,噴涂時(shí)間的長短,漆膜厚度的方差值。點(diǎn)擊噴涂控制菜 單的對(duì)應(yīng)選項(xiàng),還可以有選擇的觀察關(guān)節(jié)軌跡,關(guān)節(jié)速度,關(guān)節(jié)加速度,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的曲線,分 析它們是否滿足約束條件。如果不滿足要求,重復(fù)步驟6或7(本實(shí)例中為步驟7),直到得 到滿意的噴涂效果為止。步驟9 關(guān)節(jié)軌跡的存儲(chǔ)。如果噴涂過程的各項(xiàng)指標(biāo)都滿足要求,點(diǎn)擊噴涂控制菜 單里的“保存關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡”,系統(tǒng)自動(dòng)將機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡存入關(guān)節(jié)軌跡數(shù)據(jù)庫。步驟10 機(jī)器人代碼生成。如果需要將保存在機(jī)器人關(guān)節(jié)軌跡數(shù)據(jù)庫中的關(guān)節(jié)軌 跡轉(zhuǎn)化成機(jī)器人代碼。首先點(diǎn)擊控制菜單里的“機(jī)器人代碼生成”項(xiàng),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫 中調(diào)取關(guān)節(jié)數(shù)據(jù),通過脈沖轉(zhuǎn)換程序,將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)脈沖,脈沖幅值的正負(fù)表示關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,脈沖的密度表示轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢,脈沖的個(gè)數(shù)表示轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小。接著, 調(diào)用與機(jī)器人型號(hào)對(duì)應(yīng)的作業(yè)指令轉(zhuǎn)化模塊,將關(guān)節(jié)脈沖轉(zhuǎn)化成機(jī)器人作業(yè)文件,保存在 工程默認(rèn)的目錄下。步驟11 機(jī)器人作業(yè)指令的傳輸。在人機(jī)交互界面上的噴涂控制菜單里點(diǎn)擊“機(jī) 器人作業(yè)文件傳輸”按鈕,系統(tǒng)會(huì)跳出一個(gè)選項(xiàng)框,讓用戶選擇要傳輸?shù)淖鳂I(yè)文件,選擇并 點(diǎn)擊“確定”后,系統(tǒng)會(huì)通過自動(dòng)調(diào)用接口驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)接口,將生成的機(jī)器人作業(yè)指令文 件傳輸?shù)綑C(jī)器人的控制器中。
權(quán)利要求1.一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng),其特征在于包括有機(jī)器人控制器、分析 與顯示模塊G)、通信與接口模塊(6),其中分析與顯示模塊(4)通過通信與接口模塊(6) 與機(jī)器人控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng),其特征在于上述通信 與接口模塊(6)為RS232串口。
專利摘要本實(shí)用新型是一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與性能測(cè)試系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)庫模塊、人機(jī)交互模塊、噴槍軌跡規(guī)劃模塊、分析與顯示模塊、機(jī)器人作業(yè)指令生成模塊、通信與接口模塊,所述數(shù)據(jù)庫模塊實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人噴槍軌跡和關(guān)節(jié)變量及噴涂任務(wù)的存儲(chǔ);人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入和對(duì)其它模塊的控制。噴槍軌跡規(guī)劃模塊用于在滿足所有約束的前提下,規(guī)劃出一條使噴涂效果最佳的噴槍軌跡,并求出該軌跡對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量;分析與顯示模塊實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人噴涂過程的仿真與分析;機(jī)器人作業(yè)指令生成模塊實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人工作文件生成功能;通信與接口模塊用于噴涂任務(wù)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和作業(yè)文件的上傳下載。該實(shí)用新型編程速度快,準(zhǔn)確度高,功能完善,通用性強(qiáng),既可作為各種型號(hào)機(jī)器人的科學(xué)研究,又可用于實(shí)際噴涂作業(yè)系統(tǒng)的控制。
文檔編號(hào)B25J9/00GK201856249SQ20102002684
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者劉治, 周英, 梁少芳, 陳圣國 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)
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