一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法及系统与流程

1.本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法及系统。


背景技术：

2.随着科学技术的进步，机器人在现代工业生产过程中扮演着越来越重要的角色，六轴工业机器人被广泛的应用在工业生产中，但是随着工业生产操作的复杂性、场景的特殊性、规模的庞大性的增大，六轴工业机器人在工作区域开敞性较好的情况能满足多数应用需求，但是对于狭窄、复杂的作业环境下难以适应；蛇形臂能够实现多角度弯曲的同时具备结构轻巧等特点，但是作业空间受限。相比单机器人系统，工业机器人与蛇形臂组成的异构系统(如图1所示)能够促进任务的完成。
3.目前，我国已对蛇形臂机器人进行了比较深入的研究，主要集中在理论研究与蛇形臂运动控制技术，对其与工业机器人等异构系统在特定复杂环境中协同运动实现作业任务目标的研究尚未见诸报道。而在复杂环境中，工业机器人与蛇形臂机器人的协同控制直接影响着是否能够完成目标任务。
4.目前普遍采用的机器人协同控制方法多为同一种控制系统的同厂家的机器人进行协同控制，对于特种应用机器人，特别是异构系统下蛇形臂机器人与工业机器人尚无公开的协同控制方法。
5.因此，发明人提供了一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法及系统。


技术实现要素：

6.(1)要解决的技术问题
7.本发明实施例提供了一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法及系统，解决了工业机器人与蛇形臂两种异构系统之间难以实现高精度实时协同运动的技术问题。
8.(2)技术方案
9.本发明的第一方面提供了一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法，包括以下步骤：
10.根据目标轨迹和读取到的位置姿态，对轨迹路径进行规划并生成相关指令；
11.利用tcp/ip传输方式、io传输方式分别下发对应的所述相关指令，实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独或同时运动。
12.进一步地，所述根据目标轨迹和读取到的位置姿态，对轨迹路径进行规划并生成相关指令，具体为：
13.基于所述工业机器人与所述蛇形臂的当前位姿、目标轨迹和位姿及工作空间进行轨迹规划和轨迹离散化，并生成所述相关指令。
14.进一步地，所述基于所述工业机器人与所述蛇形臂的当前位姿、目标轨迹和位姿及工作空间进行轨迹规划和轨迹离散化，具体为：
15.将蛇形臂末端轨迹按照设定间距进行离散，再根据轨迹点对所述工业机器人施加约束，对到达每个轨迹点的运动任务进行分解。
16.进一步地，所述利用tcp/ip传输方式、io传输方式分别下发对应的所述相关指令，具体为：
17.上位机按顺序下发轨迹点与协同控制指令到机器人控制器和多轴运动控制器，并将相关指令存储到缓存区，等待后续指令；其中，所述机器人控制器仅缓存所述tcp/ip传输方式下发的工业机器人的相关轨迹，所述多轴运动控制器缓存所述io传输方式下发所有控制指令及蛇形臂轨迹数据。
18.进一步地，当所述蛇形臂与所述工业机器人同时运动时，具体为：
19.工业机器人末端到达轨迹点位后通过所述io传输方式实时发送信号给plc，蛇形臂末端到达轨迹点位后触发一个信号给plc，plc接收到任何一方到位信号开始计时，另一方信号到达时或超时计时结束。
20.进一步地，所述实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独或同时运动，具体为：
21.上位机下发开始执行指令给多轴运动控制器，由所述多轴运动控制器实时根据设定的协同控制指令实时控制所述蛇形臂单独运动、所述工业机器人单独运动或二者同时运动。
22.进一步地，所述相关指令包括轨迹离线与分解的轨迹点、速度、时间及协同控制指令。
23.进一步地，所述轨迹点为在工业机器人设备坐标系下的坐标与姿态。
24.本发明的第二方面提供了一种应用于上述工业机器人与蛇形臂协同控制方法的协同控制系统，包括：
25.工业机器人、机器人控制器、蛇形臂、多轴运动控制器及上位机；
26.其中，所述蛇形臂安装在所述工业机器人的末端，所述上位机与所述工业机器人和所述多轴运动控制器基于tcp/ip通讯，所述工业机器人与所述多轴运动控制器为io实时通讯，所述工业机器人与所述机器人控制器为io实时通讯。
27.进一步地，所述协同控制系统还包括plc，所述多轴运动控制器通过plc对所述工业机器人实时指令下发。
28.(3)有益效果
29.综上，本发明通过采用实时io与tcp/ip结合的方式，解决了蛇形臂与无实时总线接口的工业机器人两套异构系统之间难以在线协同运动的问题，简化通讯接口的复杂度，开发周期短；与传统的需要将轨迹点位转换为机器人程序导入方式相比更加便捷。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是一种工业机器人与蛇形臂协同安装的结构示意图；
32.图2是本发明实施例提供的一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法的流程示意
图；
33.图3是本发明实施例提供的一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法的具体流程示意图；
34.图4是本发明实施例提供的一种工业机器人与蛇形臂协同运动过程的流程示意图；
35.图5是本发明实施例提供的一种工业机器人与蛇形臂协同控制系统的结构示意图。
36.图中：
37.1-工业机器人；2-蛇形臂。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
39.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”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，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。
41.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.当前，对于异构系统之间的协同控制多采用一种单一的tcp/ip总线、总线报文或io控制，存在单一化的问题，对于无外部实时总线接口的工业机器人难以实现高精度实时协同。
43.图2是本发明实施例提供的一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法的流程示意图，如图2所示，该方法可以包括以下步骤：
44.s100、根据目标轨迹和读取到的位置姿态，对轨迹路径进行规划并生成相关指令；
45.s200、利用tcp/ip传输方式、io传输方式分别下发对应的相关指令，实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独或同时运动。
46.在上述实施方式中，工业机器人与蛇形臂的多轴运动控制器是由不同类型的计算机硬件或软件组成的计算系统，其来自不同的厂商、使用不同的操作系统、编程语言以及协议，二者的协同控制属于异构系统的控制，需要特定的协议或者接口进行通信和协同。对于本系统的集成控制而言，由于工业机器人需要与蛇形臂协同运动，其对运动轨迹具有要求，而蛇形臂的末端的运动轨迹是工业机器人和蛇形臂二者的运动轨迹合成，因此，运动过程
中必须保证二者运动的同步性。对于蛇形臂来说其运动由多轴运动控制器直接控制，不存在延时问题；对于工业机器人来说，制造商提供了tcp/ip协议的通讯接口与有限的实时io信号接口，tcp/ip通讯在工业控制中的实时性无法保证，而全部采用实时io信号接口进行数据传输存在需要的io信号接口数量十分庞大(千数量级)的问题。因此采用tcp/ip传输工业机器人需要执行的位置等信息，采用实时io传输实时性要求高的运动指令和反馈信息。
47.作为一种可选的实施方式，步骤s100中，根据目标轨迹和读取到的位置姿态，对轨迹路径进行规划并生成相关指令，具体为：
48.基于工业机器人与蛇形臂的当前位姿、目标轨迹和位姿及工作空间进行轨迹规划和轨迹离散化，并生成相关指令。
49.作为一种可选的实施方式，步骤s200中，基于工业机器人与蛇形臂的当前位姿、目标轨迹和位姿及工作空间进行轨迹规划和轨迹离散化，具体为：将蛇形臂末端轨迹按照设定间距进行离散，再根据轨迹点对工业机器人施加约束，对到达每个轨迹点的运动任务进行分解。
50.作为一种可选的实施方式，步骤s200中，利用tcp/ip传输方式、io传输方式分别下发对应的相关指令，具体为：
51.上位机按顺序下发轨迹点与协同控制指令到机器人控制器和多轴运动控制器，并将相关指令存储到缓存区，等待后续指令；其中，机器人控制器仅缓存tcp/ip传输方式下发的工业机器人的相关轨迹，多轴运动控制器缓存io传输方式下发所有控制指令及蛇形臂轨迹数据。
52.在此需要说明的是，采用tcp/ip通讯与实时io二者结合的传输，首先需要解决的是工业机器人的tcp/ip的传输与io指令的协同问题。该问题可利用缓存解决，将离线生成的指令通过tcp/ip发送，一次可发送n条，在执行n-5条指令时则根据实际情况，若仍有后续指令未发出，则再次发送，直到全部指令发送完毕。
53.通过tcp/ip传递轨迹点位，利用控制器做缓存，使用plc/io通讯进行实时控制指令与到位信号的传输，既保证了蛇形臂与工业机器人轨迹的连续性，又保证了二者协同运动的同步性。
54.具体指令要求为：
55.第一句为等待运动指令，该指令如为0则工业机器人不运动；
56.运动到某一位置指令；
57.向plc发出io信号，表示该运动完成；
58.运动到某一位置指令；
59.向plc发出io信号，表示该运动完成；
60.…
61..
62.结束。
63.作为一种可选的实施方式，实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独或同时运动，如图3所示，具体为：上位机下发开始执行指令给多轴运动控制器，由多轴运动控制器实时根据设定的协同控制指令实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独运动或二者同时运动。
64.作为一种可选的实施方式，当蛇形臂与工业机器人同时运动时，如图4所示，具体为：工业机器人末端到达轨迹点位后通过io传输方式实时发送信号给plc，蛇形臂末端到达轨迹点位后触发一个信号给plc，plc接收到任何一方到位信号开始计时，另一方信号到达时或超时计时结束。
65.作为一种可选的实施方式，相关指令包括轨迹离线与分解的轨迹点、速度、时间及协同控制指令。
66.作为一种可选的实施方式，轨迹点为在工业机器人设备坐标系下的坐标与姿态。
67.图5是本发明实施例的第二方面提供的一种应用于上述工业机器人与蛇形臂协同控制方法的协同控制系统的结构示意图，如图5所示，该协同控制系统可以包括：
68.工业机器人、机器人控制器、蛇形臂、多轴运动控制器及上位机；
69.其中，蛇形臂安装在工业机器人的末端，上位机与工业机器人和多轴运动控制器基于tcp/ip通讯，工业机器人与多轴运动控制器为io实时通讯，工业机器人与机器人控制器为io实时通讯。
70.该系统能够实现在线向工业机器人和蛇形臂发送轨迹点位，与传统的需要将轨迹点位转换为机器人程序导入方式相比更加便捷。
71.作为一种可选的实施方式，协同控制系统还包括plc，多轴运动控制器通过plc对工业机器人实时指令下发。
72.实施例1
73.如图1所示，工业机器人1固定于地面，蛇形臂2固定在工业机器人1的法兰盘上，工业机器人1与蛇形臂2协同运动，使蛇形臂2的末端实现以目标速度在空间沿直线运动，并以工业机器人1的设备坐标系为参考坐标系建立坐标系，其协同控制方法包括以下步骤：
74.步骤1、运动轨迹离散与分解以及速度规划
75.首先将蛇形臂末端轨迹按照定间距规则进行离散化，即将轨迹按照δl＝0.5mm的间距进行离散，再根据轨迹点对工业机器人施加约束，使其主要用来补偿蛇形臂运动空间的不足，对到达每个轨迹点的运动任务进行分解，其中工业机器人的轨迹点为在工业机器人设备坐标系下的坐标与姿态，蛇形臂的轨迹点为
76.工业机器人的运动速度v根据设定的蛇形臂的运动时间δt＝100ms进行规划，v＝δl/δt＝5mm/s。
77.步骤2、运动轨迹点与协同指令的下发与缓存
78.上位机将步骤1轨迹离线与分解的轨迹点、速度、时间以及协同控制指令分别下发给工业机器人和多轴运动控制器，工业机器人控制器与多轴运动控制器将路径和协同指令存储到缓存区，等待下一步指令。
79.步骤3、运动开始时间同步
80.上位机下发开始执行指令给多轴运动控制器，由多轴运动控制器实时根据设定的协同指令实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独运动或二者同时运动，协同指令由多轴运动控制器通过实时io下发给工业机器人。
81.步骤4、工业机器人与蛇形臂接收到控制指令，根据多轴运动控制器发送的指令执行相应动作，蛇形臂控制器直接运行在多轴运动控制器中，多轴运动控制器通过plc实时io实现对工业机器人的实时指令下发。
82.步骤5、运动过程的协同
83.与蛇形臂一同运动时，工业机器人末端到达轨迹点位后即通过实时io发送信号给plc，蛇形臂末端到达轨迹点位后触发一个信号给plc，plc接收到任何一方到位信号即开始计时，另一方信号到达时计时结束，中间间隔时间为δt1，设置计时阈值18ms，若超过18ms则结束计时，系统报警同步时间超差，若20ms以内，则系统循环执行步骤4与步骤5，直至结束。
84.上位机下发轨迹指令形式：
85.执行机构+运动形式+坐标及姿态值+同步运动点位编号+运动时间/速度+是否最终点位。
86.其中执行机构包括工业机器人与蛇形臂；运动形式包括点到点、直线和圆弧；坐标及姿态值及为在工业机器人设备坐标系下工业机器人法兰中心点的坐标及姿态角以及蛇形臂在蛇形臂设备坐标系下的坐标及姿态；同步运动点位编号，0表示无同步运动，1，2，3
…
表示点位编号，同步运动时工业机器人与蛇形臂同步运动时点位编号一一对应；运动时间是指蛇形臂运动到指定坐标的时间，运动速度是工业机器人运动的速度，如果是同步运动则运动速度根据步骤1进行设定；是否最终点位为标识位，即所有点位下发完成后，系统发送标识位开始执行。
87.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
88.以上仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据目标轨迹和读取到的位置姿态，对轨迹路径进行规划并生成相关指令；利用tcp/ip传输方式、io传输方式分别下发对应的所述相关指令，实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独或同时运动。2.根据权利要求1所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，所述根据目标轨迹和读取到的位置姿态，对轨迹路径进行规划并生成相关指令，具体为：基于所述工业机器人与所述蛇形臂的当前位姿、目标轨迹和位姿及工作空间进行轨迹规划和轨迹离散化，并生成所述相关指令。3.根据权利要求2所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，所述基于所述工业机器人与所述蛇形臂的当前位姿、目标轨迹和位姿及工作空间进行轨迹规划和轨迹离散化，具体为：将蛇形臂末端轨迹按照设定间距进行离散，再根据轨迹点对所述工业机器人施加约束，对到达每个轨迹点的运动任务进行分解。4.根据权利要求1所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，所述利用tcp/ip传输方式、io传输方式分别下发对应的所述相关指令，具体为：上位机按顺序下发轨迹点与协同控制指令到机器人控制器和多轴运动控制器，并将相关指令存储到缓存区，等待后续指令；其中，所述机器人控制器仅缓存所述tcp/ip传输方式下发的工业机器人的相关轨迹，所述多轴运动控制器缓存所述io传输方式下发所有控制指令及蛇形臂轨迹数据。5.根据权利要求1所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，当所述蛇形臂与所述工业机器人同时运动时，具体为：工业机器人末端到达轨迹点位后通过所述io传输方式实时发送信号给plc，蛇形臂末端到达轨迹点位后触发一个信号给plc，plc接收到任何一方到位信号开始计时，另一方信号到达时或超时计时结束。6.根据权利要求1所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，所述实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独或同时运动，具体为：上位机下发开始执行指令给多轴运动控制器，由所述多轴运动控制器实时根据设定的协同控制指令实时控制所述蛇形臂单独运动、所述工业机器人单独运动或二者同时运动。7.根据权利要求1所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，所述相关指令包括轨迹离线与分解的轨迹点、速度、时间及协同控制指令。8.根据权利要求7所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法，其特征在于，所述轨迹点为在工业机器人设备坐标系下的坐标与姿态。9.一种应用于如权利要求1-8中任一项所述的工业机器人与蛇形臂协同控制方法的协同控制系统，其特征在于，包括：工业机器人、机器人控制器、蛇形臂、多轴运动控制器及上位机；其中，所述蛇形臂安装在所述工业机器人的末端，所述上位机与所述工业机器人和所述多轴运动控制器基于tcp/ip通讯，所述工业机器人与所述多轴运动控制器为io实时通讯，所述工业机器人与所述机器人控制器为io实时通讯。10.根据权利要求9所述的工业机器人与蛇形臂协同控制系统，其特征在于，还包括
plc，所述多轴运动控制器通过plc对所述工业机器人实时指令下发。

技术总结
本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种工业机器人与蛇形臂协同控制方法及系统。该方法包括步骤：根据目标轨迹和读取到的位置姿态，对轨迹路径进行规划并生成相关指令；利用TCP/IP传输方式、IO传输方式分别下发对应的相关指令，实时控制蛇形臂单独运动、工业机器人单独或同时运动。该工业机器人与蛇形臂协同控制方法及系统的目的是解决工业机器人与蛇形臂两种异构系统之间难以实现高精度实时协同运动的问题。同运动的问题。同运动的问题。


技术研发人员：尚江坤 薛贵军 曹冠宇 徐石磊 潘青 王明阳
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/7/22