一种六轴工业机器人标准节拍计算方法与流程

1.本发明涉及六轴工业机器人标准节拍计算方法设备，特别是涉及一种六轴工业机器人标准节拍计算方法。


背景技术：

2.机器人标准循环时间作为衡量机器人性能的重要指标，如图1所示，指的是用机器人将负载提升25mm的高度，在相距300mm的两点间拱形路径下往返所需的时间。
3.常规情况下，该标准节拍需要进行大量的实测得到，测试过程繁琐，消耗时间长。因此，需要一种不依赖直接测试的理论节拍时间计算方法。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的在于，提供一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，仅依靠机器人的参数能够快速计算出不同的轨迹、不同设定参数下，六轴机器人的标准循环周期，无需进行测试即可获得节拍时间，其具有提高获得节拍时间效率的优点。
5.本发明是通过如下方案实现的：
6.一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，包括以下步骤：
7.s1：获取六轴工业机器人各轴的结构参数和速度参数；
8.s2：建立运动坐标系，以六轴工业机机器人的安装底面为xy平面，一轴旋转轴为z轴，建立坐标系；
9.s3：设定abcd标准门型运动轨迹，将门型轨迹的四点定义为对称的a、b、c、d四点；
10.s4：设定坐标轴的位置公式，根据位置公式计算得到一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5；
11.s5：根据一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3、五轴的角度公式θ5以及速度参数，确定最优设定线速度；
12.s6：计算abcd路径的位移节拍时间；
13.s7：修改上述abcd路径的起点，重复步骤s5和步骤s6，得到最佳的位移节拍时间。
14.进一步地，在步骤s1中，还包括以下子步骤：
15.s11：获取六轴工业机器人各轴的关节长度；
16.s12：获取六轴工业机器人各轴的关节最大速度、关节最大加速度，以及关节限制角度。。
17.进一步地，在步骤s3中，还包括以下步骤：
18.设a点坐标为(x0，y0，z0)；则其它三点分别为b(x0，y0，z0+25)、c(x0，y0+300，z0+25)、d(x0，y0+300，z0)。
19.进一步地，在步骤s4中，还包括以下子步骤：
20.s41：设最大线速度为v，则x方向上的分量为v
x
，y方向上的分量为vy，x方向上的分量为vz；
21.s42：根据v
x
、vy和vz，列出空间中关于时间t的位置公式x(t)、y(t)和z(t)；
22.s43：根据x(t)和y(t)，计算abcd路径在z轴方向上末端到原点的投影距离z
投影
(t)；
23.s44：根据z(t)、z
投影
(t)、底座高度z和五轴长度l
56
，计算abcd路径在大臂小臂所构成的平面上末端到原点的投影距离l
投影
(t)；
24.s45：根据x(t)和y(t)，计算得到一轴的角度公式θ1；
25.s46：根据z(t)、l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到二轴的角度公式θ2；
26.s47：根据l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到三轴的角度公式θ3；
27.s48：根据z(t)、l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到五轴的角度公式θ5。
28.进一步地，在步骤s5中，还包括以下子步骤：
29.s51：对一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5求一阶导数得到一轴的角速度公式二轴的角速度公式三轴的角速度公式和五轴的角速度公式
30.s52：对一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5求二阶导数得到一轴的角加速度公式二轴的角加速度公式三轴的角加速度公式和五轴的角加速度公式
31.s53：通过遍历法分别将点(x，y，z)遍历至abcd路径上任意一点，求解符合结构参数和速度参数的各轴的最大角速度和最大角加速度；
32.s54：将符合结构参数和速度参数的各轴的最大角速度和最大角加速度转换为对应点位的最大线速度和最大加速度。
33.进一步地，在步骤s6中，还包括以下子步骤：
34.s61：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和ab的路径距离，计算得到ab位移时间t
ab
；
35.s62：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和bc的路径距离，计算得到bc位移时间t
bc
；
36.s63：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和cd的路径距离，计算得到cd位移时间t
cd
；
37.s64：根据ab位移时间t
ab
、bc位移时间t
bc
、cd位移时间t
cd
，以及路径切换设定的停顿时间t1，计算得到总的路径位移节拍时间。
38.进一步地，在步骤s42中，得到的位置公式x(t)、y(t)和z(t)为：
[0039][0040]
进一步地，在步骤s43中，计算得到的投影距离公式z
投影
(t)为：
[0041][0042]
进一步地，在步骤s44中，计算得到的投影距离公式l
投影
(t)为：
[0043][0044]
进一步地，在步骤s45、s46、s47和s48中，计算得到的一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5为：
[0045][0046][0047][0048][0049]
本发明所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，具有以下有益效果：
[0050]
1、通过设定坐标轴和公式结合机器人的参数，计算得到各轴的角度公式，然后通过求导和遍历法求得最优线速度，从而能够快速计算出不同的轨迹、不同设定参数下六轴机器人的标准循环周期，无需进行测试即可获得节拍时间，其具有提高获得节拍时间效率的优点。
[0051]
2、在得到的循环时间中加入停顿时间，模拟真实的机器人运行动作，使计算的节拍时间更为准确，接近真实值。
[0052]
3、为了寻找最优线速度位置，通过修改abcd位置的起始点，在abcd均存在于机器的工作空间范围内时重新确定节拍时间，最终可以得到最佳的循环时间，使得到的节拍结构更为准确。
[0053]
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
[0054]
图1为本发明技术交底的一种六轴工业机器人标准节拍的路径示意图；
[0055]
图2为本发明实施例的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法的图；
[0056]
图3为本发明实施例的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法的参数获取流程图；
[0057]
图4为本发明实施例的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法的各轴角度公式计算流程图；
[0058]
图5为本发明实施例的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法的最优线速度计算流程图；
[0059]
图6为本发明实施例的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法的节拍时间计算流程图。
具体实施方式
[0060]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，
但本发明并不限于这些实施例。
[0061]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0062]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以是直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0063]
针对背景技术中的技术问题，本发明提供一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0064]
s1：获取六轴工业机器人各轴的结构参数和速度参数；
[0065]
s2：建立运动坐标系，以六轴工业机机器人的安装底面为xy平面，一轴旋转轴为z轴，建立坐标系；
[0066]
s3：设定abcd标准门型运动轨迹，将门型轨迹的四点定义为对称的a、b、c、d四点；
[0067]
s4：设定坐标轴的位置公式，根据位置公式计算得到一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5；
[0068]
s5：根据一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3、五轴的角度公式θ5以及速度参数，确定最优设定线速度；
[0069]
s6：计算abcd路径的位移节拍时间；
[0070]
s7：修改上述abcd路径的起点，重复步骤s5和步骤s6，得到最佳的位移节拍时间。
[0071]
本技术实施例所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，通过获取机器人的参数，根据建立的坐标系和机器人参数计算得到各轴的角度公式，再对角度公式进行一次求导和二次求导得到各轴的角速度公式和角加速度公式，从而利用角速度公式和角加速度公式确定设定的abcd路径上的最优设定线速度，从而根据最优设定线速度计算得到节拍时间，最后通过改变abcd路径的起点寻找到最佳的位移节拍时间。
[0072]
本技术实施例所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，仅依靠机器人的参数能够快速计算出不同的轨迹、不同设定参数下六轴机器人的标准循环周期，无需进行测试即可获得节拍时间，其具有提高获得节拍时间效率的优点。
[0073]
具体的，在步骤s1中获取结构参数和速度参数，如图3所示，还包括以下子步骤：
[0074]
s11：获取六轴工业机器人各轴的关节长度；
[0075]
s12：获取六轴工业机器人各轴的关节最大速度、关节最大加速度，以及关节限制角度。
[0076]
由于不同的机器人参数不一样，通过获取该机器人各轴的关节长度、关节最大速度、关节最大加速度，以及关节限制角度等数据，可用于后续计算该机器人的标准节拍。
[0077]
进一步地，在步骤s3中设定abcd标准门型运动轨迹，还包括以下步骤：
[0078]
设a点坐标为(x0，y0，z0)；则其它三点分别为b(x0，y0，z0+25)、c(x0，y0+300，z0+25)、d(x0，y0+300，z0)。
[0079]
由于abcd为标准门型运动轨迹，可以通过对a、b、c和d四点进行具体的坐标标示，
方便后续对abcd路径进行计算。
[0080]
进一步地，在步骤s4中计算一轴的角度公式、二轴的角度公式、三轴的角度公式和五轴的角度公式，如图4所示，具体通过以下子步骤实现：
[0081]
s41：设最大线速度为v，则x方向上的分量为v
x
，y方向上的分量为vy，x方向上的分量为vz；
[0082]
s42：根据v
x
、vy和vz，列出空间中关于时间t的位置公式x(t)、y(t)和z(t)；
[0083]
s43：根据x(t)和y(t)，计算abcd路径在z轴方向上末端到原点的投影距离公式z
投影
(t)；
[0084]
s44：根据z(t)、z
投影
(t)、底座高度z和五轴长度l
56
，计算abcd路径在大臂小臂所构成的平面上末端到原点的投影距离公式l
投影
(t)；
[0085]
s45：根据x(t)和y(t)，计算得到一轴的角度公式θ1；
[0086]
s46：根据z(t)、l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到二轴的角度公式θ2；
[0087]
s47：根据l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到三轴的角度公式θ3；
[0088]
s48：根据z(t)、l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到五轴的角度公式θ5。
[0089]
本实施例根据设定的x、y、z轴的位置公式，通过空间几何计算得到z轴方向和大臂小臂所构成的平面的投影公式，再根据空间几何、机器人的结构参数，以及上述得到的公式计算得到各轴的角度公式。
[0090]
具体的，在步骤s42中，位置公式x(t)、y(t)和z(t)设为：
[0091][0092]
具体的，在步骤s43中，利用上述得到的公式x(t)和y(t)，计算得到的投影距离z
投影
(t)公式为：
[0093][0094]
具体的，在步骤s44中，利用上述得到的公式z(t)、z
投影
(t)、底座高度z和五轴长度l
56
，计算得到的投影距离l
投影
(t)为：
[0095][0096]
具体的，在步骤s45、s46、s47和s48中，利用上述得到的公式x(t)和y(t)，计算得到的一轴的角度公式θ1为：
[0097][0098]
利用上述得到的公式z(t)、l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到的二轴的角度公式θ2为：
[0099][0100]
利用上述得到的公式l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到的三轴的角度公式θ3为：
[0101][0102]
利用上述得到的公式z(t)、l
投影
(t)、二轴长度l
23
和三轴长度l
34
，计算得到的五轴的角度公式θ5为：
[0103][0104]
更进一步地，在步骤s5中为了确定最优设定线速度，如图5所示，还包括以下子步骤：
[0105]
s51：对一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5求一阶导数得到一轴的角速度公式二轴的角速度公式三轴的角速度公式和五轴的角速度公式
[0106]
s52：对一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5求二阶导数得到一轴的角加速度公式二轴的角加速度公式三轴的角加速度公式和五轴的角加速度公式
[0107]
s53：通过遍历法分别将点(x，y，z)遍历至abcd路径上任意一点，求解符合结构参数和速度参数的各轴的最大角速度和最大角加速度；
[0108]
s54：将符合结构参数和速度参数的各轴的最大角速度和最大角加速度转换为对应点位的最大线速度和最大加速度。
[0109]
本实施例通过对各轴的角度公式进行一次求导即可得到各轴的角速度公式，进行二次求导即可得到各轴的角加速度公式，根据角速度公式和角加速度公式对abcd路径进行遍历，使得到的各轴最大角速度和最大角加速度是否符合步骤s1获得速度参数，从而根据合结构参数和速度参数的各轴的最大角速度和最大角加速度确定最优线速度。
[0110]
在一个例子中，在abcd路径上的点(220，150，475.5)的位置时，当线速度在2.575m/s时，其二轴的最大速度达到限定值267.3
°
/s，因此线速度不超过2.575m/s。依次类推，遍历各点位后，可以确定出最终线速度的要求。需要指出的是，通常机器设定的线速度值并非理论上的最大线速度，从安全和稳定性的角度，通常会向下取证一点范围，如上述机器最终设定线速度为2m/s，加速度为4.44m/s2。
[0111]
更进一步地，在步骤s6中为了利用最优线速度计算节拍时间，如图6所示，还包括以下子步骤：
[0112]
s61：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和ab的路径距离，计算得到ab位移时间t
ab
；
[0113]
s62：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和bc的路径距离，计算得到bc位移时间t
bc
；
[0114]
s63：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和cd的路径距离，计算得到cd位移时间t
cd
；
[0115]
s64：根据ab位移时间t
ab
、bc位移时间t
bc
、cd位移时间t
cd
，以及路径切换设定的停顿时间t1，计算得到总的路径位移节拍时间。
[0116]
本实施例通过对应点位的最大线速度、最大加速度计算各段路径所需的最少时间，然后根据总的路径规划将各段路径所需的时间相加，以及不同路段之间需要的停顿时间相加，最后得到总得路径位移节拍时间。
[0117]
在一个例子中，ab段路径的位移量为0.025m，所需时间为0.289s；bc段路径的位移量为0.3m，所需时间为0.672s；cd段路径的位移量为0.025m，所需时间为0.289s。反向重复上述路径，因此周期时间为(0.289+0.672+0.289)*2＝2.5。此外，一般在每一段路径结束时，由于控制系统上的延迟等原因，会存在短暂的停顿，将此因素考虑进去，能够提升计算的准确性，例如上述停顿时间t1为0.182s，在abcd路径中总共需要6次停顿，即总时间为2.5+0.182*6＝3.592s。
[0118]
需要注意的是，由于步骤s6是在abcd路径上进行遍历，将点位推广到任意点位，可以计算出理论最大线速度，但一般该点位存在于机器的极限角度，实际工作中基本不会达到。所以为了寻找最优线速度位置，通常还设有步骤s7，也就是可以修改上述abcd位置的起始点，在abcd均存在于机器的工作空间范围内时进行上述步骤s5和s6的工作，最终可以得到最佳的循环时间。
[0119]
本技术实施例所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，具有以下有益效果：
[0120]
1、通过设定坐标轴和公式结合机器人的参数，计算得到各轴的角度公式，然后通过求导和遍历法求得最优线速度，从而能够快速计算出不同的轨迹、不同设定参数下六轴机器人的标准循环周期，无需进行测试即可获得节拍时间，其具有提高获得节拍时间效率的优点。
[0121]
2、在得到的循环时间中加入停顿时间，模拟真实的机器人运行动作，使计算的节拍时间更为准确，接近真实值。
[0122]
3、为了寻找最优线速度位置，通过修改abcd位置的起始点，在abcd均存在于机器的工作空间范围内时重新确定节拍时间，最终可以得到最佳的循环时间，使得到的节拍结构更为准确。
[0123]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。

技术特征：
求二阶导数得到一轴的角加速度公式二轴的角加速度公式三轴的角加速度公式和五轴的角加速度公式s53：通过遍历法分别将点(x，y，z)遍历至abcd路径上任意一点，求解符合结构参数和速度参数的各轴的最大角速度和最大角加速度；s54：将符合结构参数和速度参数的各轴的最大角速度和最大角加速度转换为对应点位的最大线速度和最大加速度。6.根据权利要求5所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，其特征在于，在步骤s6中，还包括以下子步骤：s61：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和ab的路径距离，计算得到ab位移时间t
ab
；s62：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和bc的路径距离，计算得到bc位移时间t
bc
；s63：根据对应点位的最大线速度、最大加速度和cd的路径距离，计算得到cd位移时间t
cd
；s64：根据ab位移时间t
ab
、bc位移时间t
bc
、cd位移时间t
cd
，以及路径切换设定的停顿时间t1，计算得到总的路径位移节拍时间。7.根据权利要求3所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，其特征在于，在步骤s42中，得到的位置公式x(t)、y(t)和z(t)为：8.根据权利要求7所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，其特征在于，在步骤s43中，计算得到的投影距离公式z
投影
(t)为：9.根据权利要求8所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，其特征在于，在步骤s44中，计算得到的投影距离公式l
投影
(t)为：10.根据权利要求9所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法，其特征在于，在步骤s45、s46、s47和s48中，计算得到的一轴的角度公式θ1、二轴的角度公式θ2、三轴的角度公式θ3和五轴的角度公式θ5为：为：为：

技术总结
本发明涉及一种六轴工业机器人标准节拍计算方法。本发明所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法包括如下步骤：S1：获取六轴工业机器人各轴的结构参数和速度参数；S2：建立运动坐标系；S3：设定ABCD标准门型运动轨迹，将门型轨迹的四点定义为对称的A、B、C、D四点；S4：计算得到一轴的角度公式、二轴的角度公式、三轴的角度公式和五轴的角度公式；S5：根据一轴的角度公式、二轴的角度公式、三轴的角度公式和五轴的角度公式确定最优设定线速度S6：计算ABCD路径的位移节拍时间；S7：修改上述ABCD路径的起点，重复步骤S5和步骤S6，得到最佳的位移节拍时间。本发明所述的一种六轴工业机器人标准节拍计算方法具有提高获得节拍时间效率的优点。的优点。的优点。


技术研发人员：王刻强 谢伟锋 林佳林 陈柳吉 黄伟宁
受保护的技术使用者：伯朗特机器人股份有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/23