[發明專利]一種基于可編程控制器的工業機器人直線插補方法

有效

• 申請號: 201410408063.0
• 申請日: 2014-08-19
• 公開（公告）號: CN104133424B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 吳海彬;李實懿;施方圓;葉婷婷;陳建鵬;姚立綱
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B19/41
• 分類號: G05B19/41
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊

技術領域

本發明涉及工業機器人的插運方法，特別是一種基于可編程控制器的工業機器人直線插補方法。?

背景技術

工業機器人在搬運、碼垛、焊接、包裝等場合的應用越來越普遍，技術越來越成熟，但是目前通用型機器人的成本依然居高不下，因而迫切需要一些經濟型的工業機器人，相比通用型的工業機器人，其功能相對單一，價格低廉。價格低決定了其不大可能選用基于PC架構的、高成本的控制器，此時選用通用的運動控制型可編程控制器PLC作為經濟型工業機器人的控制器，就是一個很不錯的選擇。運動控制型可編程控制器PLC有專門的脈沖輸出通道，可以通過對驅動器輸出高速脈沖實現單軸的運動控制。通常情況下，當用戶要求進行直線插補和圓弧甚至是曲線插補時，需要可編程控制器PLC提供對應的專用插補指令。但實際問題在于，對于絕大多數可編程控制器PLC，一般只提供單軸高速脈沖輸出指令，較少的可編程控制器PLC機型提供直線插補指令。可編程控制器PLC自帶的插補指令對使用場合有諸多限制，例如，插補軸數一般為兩軸，插補只適合于關節均為直線運動的情況，即兩軸間插補的脈沖比例固定不變。而對于既有移動關節又有轉動關節的工業機器人，或者均為轉動關節的工業機器人，如圓柱坐標、球坐標、鏈式坐標等形式機器人，這樣的插補指令不能滿足需求。此外對插補性能要求越高，可編程控制器PLC的價格就越高，這也是目前可編程控制器PLC存在的局限。?

對于如圖1所示的XY直角坐標型工業機器人，其各關節均為移動關節，當需要在直線起點和終點之間實現直線運動時，X、Y兩軸的脈沖頻率比例是始終不變的，這種情況下的插補比較簡單，可以通過帶直線插補功能的可編程控制器PLC實現，但是帶插補功能的可編程控制器PLC價格往往比不帶插補功能的高出許多。此外，隨著關節數的增加，可編程控制器PLC自帶的插補功能也不能滿足要求，多數可編程控制器PLC可實現的插補軸數僅為兩軸。?

對于如圖2所示的圓柱坐標型工業機器人，其既有移動關節又有轉動關節，當需要實現在笛卡爾坐標系內的起點和終點間的直線運動時，在運動過程中的每個時刻，兩個關節所需的脈沖頻率卻是一直在變化的，這種情況下，可編程控制器PLC自帶的直線插補功能就無法滿足要求。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于可編程控制器的工業機器人直線插補方法，以克服現有可編程控制器PLC自身插補性能的局限性。?

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種基于可編程控制器的工業機器人直線插補方法，提供一工業機器人系統，該工業機器人系統包括至少M個關節，其中M為大于或等二的整數；每個關節均由任意實現圓周運動或直線運動的傳動機構傳動；由帶高速脈沖輸出通道且支持數據表運行方式的可編程控制器PLC控制所述每個關節的定位運動;其特征在于，按照以下步驟實現：?

S01：在笛卡爾坐標下，通過示教手段，根據工業機器人正運動學方程獲得所述待插補直線運動的插補起點A及插補終點B的工具中心點TCP坐標，且將所述插補起點A的坐標表示為?，將所述插補終點B的坐標表示為，同時得到所述插補起點A和所述插補終點B兩點間的距離S：；

S02：將所述工具中心點TCP在所述笛卡爾坐標系下的運動速度表示為V，并得到插補運行的總時間T：；將所需的插補時間步長表示為，進而得到從所述插補起點A到所述插補終點B所需的理論插補步數：；由于存在機械臂的慣量以及高速脈沖輸出口對初始脈沖頻率的限制，在插補過程的首尾分別設置加速段和減速段，令加速段和減速段的時間相等，且均表示為，從而得到笛卡爾坐標系下的加速度a：，加減速段所需的插補步數：，實際插補步數應為：；其中，從第0步到第步為加速段，從第步到第步為恒速段，從第到第步為減速段；

S03：根據所述步驟S02中加減速特性相關參數計算每一插補點與所述插補起點A的距離：

，其中，所述插補點為第個插補點,也即插補過程第步插補；

S04：以所述插補起點A的坐標開始，在插補線段AB上的任一插補點在笛卡爾坐標系下的坐標，為，，，其中，，；

S05：確定每個關節的脈沖當量，其中m為關節編號,表示第m個關節，其中；并根據工業機器人逆運動學方程，分別求出每一插補點坐標對應的每個關節的角位移或線位移；且基于該位移量，求出每個關節對應的高速脈沖通道的目標脈沖數:或；將各高速脈沖通道中當前插補點的目標脈沖數與上一插補點的目標脈沖數的相減，得到各通道每插補一步需要輸出的脈沖增量：；由于是等時間間隔插補，即每一步都是在內完成的，進一步得到每插補一步對應關節的脈沖頻率F：；