專利名稱：串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)加工用雙機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)及其軟件控制方法，尤其涉及一種 串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其軟件控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，將機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)加工生產(chǎn)線已成為國內(nèi)外加工業(yè)的主流趨勢之一。 此類機(jī)器人的數(shù)量迅速增長，新類型不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)的軟件控制方法也逐漸多樣化。工業(yè)加 工用機(jī)器人通常由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成，有3 6個運(yùn)動自由度。 驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)按照輸入 的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號并進(jìn)行控制。此類機(jī)器人按臂部的運(yùn)動形式分為四種直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個直角坐標(biāo)移 動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮； 關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的控制機(jī)能分為點(diǎn)位型，只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) 由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等簡單作業(yè)；連續(xù) 軌跡型，可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。若配備觸覺、力 覺或簡單視覺傳感器，即能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；若具有識別功能或更進(jìn)一步增加自 適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型機(jī)器人?，F(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)器人加工系統(tǒng)大多是單機(jī)器人，且是簡單的串聯(lián)機(jī)械手，待加工 件支承體或?yàn)楣潭ú粍拥闹С信_或?yàn)閮H能在水平面內(nèi)作圓周轉(zhuǎn)動的簡單平臺。此類系統(tǒng)的 主要不足是結(jié)構(gòu)簡單，僅能實(shí)現(xiàn)單一的幾種運(yùn)動形式；工作空間小，承載能力有限；串聯(lián) 機(jī)械手存在關(guān)節(jié)累計(jì)誤差，使末端執(zhí)行器的重復(fù)定位精度降低；靈活性和適應(yīng)性較差，通常 不具有冗余容錯功能；絕大部分的作業(yè)負(fù)擔(dān)集中在串聯(lián)機(jī)械手上，設(shè)備的任務(wù)分配不均衡， 影響系統(tǒng)整體壽命；僅串聯(lián)機(jī)械手全程運(yùn)動完成主要任務(wù)，致使生產(chǎn)效率不高。系統(tǒng)的軟件控制方法大多為簡單的離線示教編程方法，僅能為機(jī)器人提供有限的 單一化的運(yùn)動指令，限制了機(jī)器人的工作方式和運(yùn)動的靈活性；必須離線設(shè)定好所有的運(yùn) 動指令，一旦機(jī)器人開始工作，無法再實(shí)時更改指令，致使機(jī)器人沒有應(yīng)對現(xiàn)場環(huán)境變化和 突發(fā)狀況的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種承載能力強(qiáng)、工作空間大、生產(chǎn)效率高、靈活性適應(yīng)性強(qiáng)、自動化 程度高、具有一定智能性和冗余容錯可靠性的高精度串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其軟件 控制方法。本發(fā)明串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，包括串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、控制器，還可 以包括臺架、待加工件和末端執(zhí)行器。所述串聯(lián)機(jī)器人包括基座、大臂、小臂、具有多個自由 度的手腕；所述并聯(lián)機(jī)器人包括靜平臺、動平臺、伸縮桿和外筒組合成的缸筒；所述串聯(lián)機(jī) 器人固聯(lián)于所述臺架；所述末端執(zhí)行器固聯(lián)于所述串聯(lián)機(jī)器人手腕末端；所述待加工件固聯(lián)于所述并聯(lián)機(jī)器人動平臺；所述控制器包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器及鼠標(biāo)鍵盤等外圍輸入 輸出設(shè)備。本發(fā)明串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，采用分層控制的體系結(jié)構(gòu)，上層 為控制器，進(jìn)行串并聯(lián)機(jī)器人的任務(wù)分析、位姿描述、坐標(biāo)變換、任務(wù)分配和優(yōu)化評估等解 算，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的情況實(shí)時產(chǎn)生和更新機(jī)器人本體的運(yùn)動指令，指導(dǎo)串并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行 協(xié)調(diào)合作；下層為串并聯(lián)機(jī)器人，接收控制器下達(dá)的指令，依據(jù)指令進(jìn)行機(jī)器人自身運(yùn)動學(xué) 逆解，產(chǎn)生期望關(guān)節(jié)變量，并結(jié)合關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置完成機(jī)器人本體的任務(wù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的任 務(wù)目標(biāo)。本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法，有機(jī)結(jié)合了串并聯(lián)機(jī)器人各自在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的自動化程度，使系統(tǒng)整體的工作空間、承載能力得到拓 展，增強(qiáng)了系統(tǒng)對不同待加工件和加工條件的適應(yīng)性和靈活性，系統(tǒng)整體的生產(chǎn)效率、重復(fù) 定位精度、容錯可靠性得到很大的提高，同時具有一定的實(shí)時規(guī)劃、實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時調(diào)整更 新的智能性。


圖1為本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中的并聯(lián)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系分布示意圖；圖3為本發(fā)明中的串聯(lián)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系分布示意圖；圖4為本發(fā)明中的臺架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中末端執(zhí)行器與待加工件表面在加工中維持法向間距的示意圖；圖6為本發(fā)明中生成期望工作點(diǎn)的示意圖；圖7為本發(fā)明中期望工作點(diǎn)在動坐標(biāo)系中的位姿描述的方法示意圖；圖8為本發(fā)明中的控制器進(jìn)行串并聯(lián)機(jī)器人任務(wù)分配的方法示意圖；圖9為本發(fā)明中的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)控制方法的流程示意圖。圖中1.并聯(lián)機(jī)器人2.串聯(lián)機(jī)器人3.臺架4.待加工件5.末端執(zhí)行6.控 制器7.串聯(lián)機(jī)器人基座8.串聯(lián)機(jī)器人大臂9.串聯(lián)機(jī)器人小臂10.串聯(lián)機(jī)器人手腕 11.并聯(lián)機(jī)器人靜平臺12.并聯(lián)機(jī)器人缸筒的外筒13.并聯(lián)機(jī)器人缸筒的伸縮桿14.并 聯(lián)機(jī)器人動平臺
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖1所示，包括 一個并聯(lián)的平臺式機(jī)器人1、一個串聯(lián)的關(guān)節(jié)式機(jī)器人2、臺架3、待加工件4、末端執(zhí)行器5 和控制器6。其中串聯(lián)機(jī)器人2具有六個自由度；并聯(lián)機(jī)器人1具有六個自由度；臺架3作 為串聯(lián)機(jī)器人2調(diào)整整體操作高度的支承件；末端執(zhí)行器5為加工任務(wù)的終端執(zhí)行元件； 控制器6包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、終端顯示設(shè)備、外圍輸入輸出設(shè)備及人機(jī)交互界面。并聯(lián)機(jī)器人1的結(jié)構(gòu)如圖2，具有六個自由度，包括靜平臺11、六個并聯(lián)鉸接的平 移伸縮缸筒12、13以及動平臺14。其中所述六個缸筒結(jié)構(gòu)相同，缸筒的外筒12和靜平臺 11鉸接，鉸接點(diǎn)同屬一個分布圓；缸筒的伸縮桿13和動平臺14鉸接，鉸接點(diǎn)同屬一個分布 圓。所述缸筒可以為液壓油缸，也可以為氣缸。所述缸筒的驅(qū)動還包括液壓伺服閥(缸筒為液壓油缸時)或氣動閥(缸筒為氣缸時)、光電編碼器、標(biāo)定裝置、驅(qū)動控制器等元件。工作時，所述并聯(lián)機(jī)器人的六個缸筒分別伸長或縮短，可使動平臺14實(shí)現(xiàn)空間六 自由度的運(yùn)動。單個缸筒的伸縮桿最大行程可達(dá)280mm。串聯(lián)機(jī)器人2的結(jié)構(gòu)如圖3，具有六個自由度，包括依次鉸接的基座7、大臂8、小臂 9及手腕10。其中基座7與大臂8之間通過第一關(guān)節(jié)I和第二關(guān)節(jié)II鉸接，第一關(guān)節(jié)I的 回轉(zhuǎn)軸線為豎直方向，第二關(guān)節(jié)II的回轉(zhuǎn)軸線為水平方向；大臂8與小臂9之間通過第三 關(guān)節(jié)III鉸接，第三關(guān)節(jié)III的回轉(zhuǎn)軸線與第二關(guān)節(jié)II的回轉(zhuǎn)軸線平行；小臂9與手腕10 通過第四關(guān)節(jié)IV鉸接，第四關(guān)節(jié)IV的回轉(zhuǎn)軸線與小臂3的軸線重合；手腕10還包括第五 關(guān)節(jié)V和第六關(guān)節(jié)VI，第五關(guān)節(jié)V的回轉(zhuǎn)軸線與第四關(guān)節(jié)IV的回轉(zhuǎn)軸線垂直，第六關(guān)節(jié)VI 的回轉(zhuǎn)軸線與第四關(guān)節(jié)IV的回轉(zhuǎn)軸線平行。所述六關(guān)節(jié)為直流伺服電機(jī)驅(qū)動，所述驅(qū)動還 包括光電編碼器、標(biāo)定裝置、驅(qū)動控制器等元件。工作時，第一關(guān)節(jié)I的軸線為豎直方向，在水平面正負(fù)170度范圍內(nèi)運(yùn)動；第二關(guān) 節(jié)II軸線與第一關(guān)節(jié)I軸線垂直，在豎直平面正150度負(fù)45度范圍內(nèi)運(yùn)動；第三關(guān)節(jié)III 軸線與第二關(guān)節(jié)II軸線垂直，在豎直平面正210度負(fù)152度范圍內(nèi)運(yùn)動；第四關(guān)節(jié)IV軸線 與第三關(guān)節(jié)III軸線垂直，繞自身軸線做正負(fù)190度的旋轉(zhuǎn)；第五關(guān)節(jié)V軸線與其回轉(zhuǎn)軸線 重合，實(shí)現(xiàn)空間正負(fù)125度的旋轉(zhuǎn)；第六關(guān)節(jié)VI軸線與第四關(guān)節(jié)IV軸線平行，實(shí)現(xiàn)空間正 負(fù)360度的旋轉(zhuǎn)。第四關(guān)節(jié)IV、第五關(guān)節(jié)V和第六關(guān)節(jié)VI的軸線相交于同一點(diǎn)，且三關(guān)節(jié) 軸相互垂直。臺架3結(jié)構(gòu)如圖4，其支承面在豎直Z方向可進(jìn)行升降，用以調(diào)節(jié)支承面的Z向高 度，改變串聯(lián)機(jī)器人2的基座與地面的高度差，進(jìn)而調(diào)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人2的基座與并聯(lián)機(jī)器人 1的動平臺在Z向的高度差。臺架3整體在與水平地面平行的二維X-Y平面內(nèi)的位置可調(diào)， 從而調(diào)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人2的基座與并聯(lián)機(jī)器人1的基座在X-Y平面內(nèi)的二維距離。所述串聯(lián)機(jī)器人2置于所述臺架3的支承面上，所述臺架3的支承面與串聯(lián)機(jī)器 人2的基座緊密固聯(lián)，加工過程中兩者無任何相對運(yùn)動。所述串聯(lián)機(jī)器人2的基座軸線與 所述臺架3的支承面重心線重合。待加工件4置于并聯(lián)機(jī)器人1的動平臺14上。所述待加工件4的底部與動平臺 14的上表面緊密固聯(lián)，加工過程中兩者無任何相對運(yùn)動。如待加工件4重心與其橫向剖面 的幾何中心重合，則待加工件4橫向剖面的幾何中心與并聯(lián)機(jī)器人1的動平臺14的中心豎 直共線；如待加工件4重心與其橫向剖面的幾何中心不重合，則待加工件4重心與并聯(lián)機(jī)器 人1的動平臺14的中心豎直共線。末端執(zhí)行器5固聯(lián)于串聯(lián)機(jī)器人2的手腕10末端。工作過程中，所述末端執(zhí)行器 5和串聯(lián)機(jī)器人2的手腕10嚴(yán)格同步，無任何相對運(yùn)動。所述末端執(zhí)行器5為聯(lián)合加工任 務(wù)中執(zhí)行具體加工操作的終端執(zhí)行元件，可更換可拆卸，使用時根據(jù)具體任務(wù)需求，選擇合 適的類型及型號，安裝于所述串聯(lián)機(jī)器人2手腕10末端為其預(yù)留的安裝位?？刂破?為聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制中心，串并聯(lián)機(jī)器人1和2的上級監(jiān)控設(shè)備。所 述控制器6采用工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)過程中的任務(wù)需求分析、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、所得數(shù)據(jù)分 析處理、向所述串并聯(lián)機(jī)器人1和2下達(dá)運(yùn)動指令等一系列工作。所述控制器6還包括終 端顯示設(shè)備、輸入輸出設(shè)備及人機(jī)操作界面，可以由顯示器、鍵盤鼠標(biāo)以及規(guī)劃控制軟件等 組成。
工作時，所述串聯(lián)機(jī)器人2和所述并聯(lián)機(jī)器人1依據(jù)所述控制器6下達(dá)的指令進(jìn)行運(yùn)動，兩機(jī)器人協(xié)調(diào)配合，共同完成加工任務(wù)。 基于上述發(fā)明的硬件組成和結(jié)構(gòu)，提出一種串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方 法。該方法采用分層控制的體系結(jié)構(gòu)，分為上層控制和下層控制。上層為任務(wù)分配層，下層 為任務(wù)執(zhí)行層。上層為控制器6，負(fù)責(zé)任務(wù)分析、位姿描述、坐標(biāo)變換、任務(wù)配置、軌跡規(guī)劃、 參數(shù)優(yōu)化評估和運(yùn)動控制等，根據(jù)下層任務(wù)執(zhí)行的情況實(shí)時產(chǎn)生和更新發(fā)送給串并聯(lián)機(jī)器 人1和2的運(yùn)動指令；下層為串并聯(lián)機(jī)器人1和2的本體，接收所述控制器6下達(dá)的指令， 依據(jù)指令進(jìn)行機(jī)器人自身運(yùn)動學(xué)逆解，產(chǎn)生期望關(guān)節(jié)變量，而后結(jié)合關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置完成機(jī) 器人本體的任務(wù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的任務(wù)目標(biāo)。通過所述的軟件方法設(shè)計(jì)和硬件驅(qū)動，控制器 6能夠指導(dǎo)串聯(lián)機(jī)器人2和并聯(lián)機(jī)器人1進(jìn)行協(xié)調(diào)合作，共同完成加工任務(wù)。本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)可配備于施釉、切割、焊接、裝配和研磨拋光 等工業(yè)生產(chǎn)的多種應(yīng)用中。將本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應(yīng)用于陶瓷加工工業(yè)中對 陶瓷坯體的表面進(jìn)行施釉的工藝中，所述待加工件4為陶瓷坯體，以下稱坯體4 ；所述末端 執(zhí)行器5為施釉噴槍，以下稱噴槍5 ；噴槍5連接空氣壓縮機(jī)風(fēng)管，利用壓縮空氣將釉料噴 成霧狀，所述霧狀釉料經(jīng)噴槍5的槍口噴出，均勻粘附于坯體4表面，形成厚薄均勻的釉層； 所述并聯(lián)機(jī)器人1為六自由度液壓伺服閥及液壓油缸驅(qū)動的Stewart并聯(lián)平臺，以下稱 Stewartl ；所述串聯(lián)機(jī)器人2為六自由度直流伺服電機(jī)驅(qū)動的Puma串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人，以下 稱 Puma2。所述噴槍5固聯(lián)于Puma2的手腕10末端，與Puma2手腕同步運(yùn)動；所述坯體4固 聯(lián)于Stewartl動平臺14，與動平臺14同步運(yùn)動；所述臺架3的支承面，其空間位置可調(diào)， 用以調(diào)整與其固聯(lián)的Puma2基座7在靜坐標(biāo)系中的三維位置；所述Stewartl靜平臺11固 聯(lián)于靜坐標(biāo)系。將本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應(yīng)用于切割時，所述待加工 件4為各種待切割金屬或非金屬材料，所述末端執(zhí)行器5為切割專用刀具，串并聯(lián)機(jī)器人1 和2通過協(xié)調(diào)運(yùn)動使所述刀具以要求的接觸力度接觸所述待切割材料，并在指定的位置按 指定的樣式將所述材料進(jìn)行切割。將本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應(yīng)用于焊接時，所述待加工 件4為各種待焊接金屬或熱塑性材料，所述末端執(zhí)行器為焊槍，焊槍中裝有焊料，串并聯(lián)機(jī) 器人1和2協(xié)調(diào)運(yùn)動使所述待焊接材料和焊料熔化形成熔融區(qū)域，稱熔池，熔池冷卻凝固后 便形成材料之間的連接。將本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應(yīng)用于裝配時，所述待加工 件4為裝配母體，所述末端執(zhí)行器5為各種待裝配入所述母體的零件，串并聯(lián)機(jī)器人1和2 協(xié)調(diào)運(yùn)動將所述待裝配零件按規(guī)定的技術(shù)要求精確組裝入所述母體中，最終整體形成合格 的產(chǎn)品。將本發(fā)明的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法應(yīng)用于研磨拋光(簡稱磨 拋)時，所述待加工件4為待磨拋的金屬或非金屬工件，所述末端執(zhí)行器5為專用磨拋工 具，加工時，先利用涂敷或壓嵌在所述磨拋工具上的磨料顆粒，通過所述工具與所述待磨拋 工件在一定壓力下的相對滾動和碰撞對所述待磨拋工件的加工表面進(jìn)行精整加工，用以去除所述待磨拋工件的表面凸鋒，從而減小表面粗糙度；而后用拋光粉和所述待磨拋工件的表面間產(chǎn)生的相對磨削和滾壓作用來消除磨痕，進(jìn)一步提高所述待磨拋工件表面的光滑度 和光澤。在以上所述的應(yīng)用場合中，所述待加工件4和所述末端執(zhí)行器5兩者與本發(fā)明的 串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)中其他組成部分的結(jié)構(gòu)關(guān)系、位置關(guān)系、硬件連接等，針對不同 的實(shí)施對象其具體細(xì)節(jié)略有差別，但主要思路和方法均基本類似。以下介紹所述串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法應(yīng)應(yīng)用于所述陶瓷坯體施 釉的實(shí)施例中時，所述控制方法的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)手段。如圖2，建立靜坐標(biāo)系XYZ，其原點(diǎn)0位于Stewartl靜平臺11的幾何中心，X_Y平 面與靜平臺11上各液壓缸鉸接點(diǎn)分布圓共面；建立隨坯體4及Stewartl動平臺14同步運(yùn) 動的動坐標(biāo)系X' Y' V，其原點(diǎn)0'位于Stewartl動平臺14幾何中心，X-Y平面與動平 臺14上的各鉸接點(diǎn)分布圓共面。當(dāng)動平臺14位于初始零位時，動、靜坐標(biāo)系的Z'和Z軸 重合，動靜平臺14、11的Z向距離為Dtl且靜坐標(biāo)系Z軸穿過0'。施釉時，所述噴槍5噴口與坯體4的待施釉曲面的法向需維持一定的間距，如圖5， 噴槍5移動至接近待加工位置點(diǎn)P時，其噴口的朝向應(yīng)與點(diǎn)P的法線兩的方向平行反向，噴 口的幾何中心線應(yīng)與法線兩重合；最終精確到達(dá)待加工位置點(diǎn)P時，噴口末端還需要與點(diǎn) P在法線兩方向上維持一個預(yù)先設(shè)定的距離d，以確保噴槍5不會觸碰待加工件的表面，且 釉料能以適當(dāng)?shù)暮穸染鶆?、連續(xù)地噴于坯體4表面。所述參數(shù)d根據(jù)具體任務(wù)要求的釉面 厚度以及噴槍5噴口的口徑大小具體設(shè)定。控制方法的實(shí)現(xiàn)流程主要包括以下七個部分第一和第二部分為初始化和空間坐標(biāo)變換法則的定義第一，確定任務(wù)，將任務(wù)描述成工作點(diǎn)的集合的形式。如圖6，根據(jù)噴槍5出口釉料 的噴射范圍，在待施釉曲面上取若干相隔一段距離的空間三維連續(xù)曲線；根據(jù)所述曲線的 空間延展范圍、曲線曲率的大小和分布、串并聯(lián)機(jī)器人1和2的關(guān)節(jié)容許運(yùn)動速度的大小， 確定各曲線上相鄰采樣點(diǎn)的間隔；將噴口與待加工曲面的法向間距要求d考慮進(jìn)來，得到 每條曲線的采樣點(diǎn)序列，也即所述的待加工位置點(diǎn)。設(shè)定所述采樣點(diǎn)序列在動坐標(biāo)系中的坐標(biāo)描述為Sd(i)，其中i為計(jì)數(shù)符號，表示 序列中的第i個點(diǎn)。所述Sd(i)為列向量，含6個元素，前三行為位置坐標(biāo)，后三行為姿態(tài) 坐標(biāo)，以下與位姿有關(guān)的敘述中沿用此表達(dá)方式。所述序列Sd(i)作為所述串并聯(lián)機(jī)器人 聯(lián)合加工系統(tǒng)期望到達(dá)的空間三維軌跡點(diǎn)，通過串并聯(lián)機(jī)器人1和2的協(xié)調(diào)運(yùn)動，使Pumal 的手腕10末端固聯(lián)的噴槍5的噴口按要求精確對準(zhǔn)待加工件上的軌跡點(diǎn)，而后進(jìn)行施釉。 所述軌跡點(diǎn)序列Sd(i)用以對加工任務(wù)進(jìn)行技術(shù)描述，以下稱Sd(i)為工作點(diǎn)。第二，工作點(diǎn)在動坐標(biāo)系中的位姿描述。如圖7，任一工作點(diǎn)P的空間狀態(tài)用在 相應(yīng)坐標(biāo)系中的位姿來描述，每個位姿包括三維的位置和三維的姿態(tài)。圖中δ 為工作點(diǎn) 在動坐標(biāo)系中的位置向量，投影到χ-γ平面為向量0F’ ,再將分別向χ、Υ軸投影，并將
向Z軸投影，得到動坐標(biāo)系中P的位置=為動坐標(biāo)系中工作點(diǎn)處的法向
量，將其起點(diǎn)移至坐標(biāo)系原點(diǎn)0，得到向量閃，將兩投影至X-Y平面得到向量同理， 由_和頃可得動坐標(biāo)系中P的姿態(tài)司=斤^ 1 4又則點(diǎn)？在動坐標(biāo)系中的位姿為<formula>formula see original document page 10</formula>第三至第六部分為雙層控制中的上層任務(wù)分配第三，定義任務(wù)元素和雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動的合作方式。將工作點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的 位置(position)定義為A，姿態(tài)(orientation)定義為B，將串聯(lián)機(jī)器人(Puma2)定義為a， 并聯(lián)機(jī)器人(Stewartl)定義為b。根據(jù)A、B、a、b的不同搭配得到四種組合形式，作為所 述聯(lián)合加工系統(tǒng)中串并聯(lián)機(jī)器人1和2的合作方式，如圖8。若某一工作點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中 的期望位置分配給Puma2來實(shí)現(xiàn)，期望姿態(tài)分配給Stewartl來實(shí)現(xiàn)，合作方式為‘Aa+Bb’， 用j = 1表征此備選項(xiàng)；若工作點(diǎn)的期望位置和姿態(tài)的分配與j = 1恰相反，合作方式變成 ‘Ab+Ba’，用j = 2表征；若整個位姿都分配給Puma2，得到j(luò) = 3的方式‘(A+B)a’ ；若整個 位姿都分配給Stewartl，得到j(luò) = 4的方式‘(A+B)b’。工作點(diǎn)序列Sd(i)中的每一個點(diǎn)， 均可從以上所述四種合作方式中選取一種作為該點(diǎn)處兩機(jī)器人的合作方式，具體選擇何種 方法由控制器6給出的任務(wù)分配指令決定。第四，將工作點(diǎn)在動坐標(biāo)系中的位姿轉(zhuǎn)換為靜坐標(biāo)系中以任務(wù)元素A，a, B, b表示 的位姿。 ①調(diào)整臺架3整體的X-Y位置以及支承面的Z向高度，將Puma2基座7在靜坐標(biāo)系 中的三維位置(xQ，yQ，zQ)設(shè)定至合適的值。本最佳實(shí)施例中，設(shè)定Puma2基座7與Stewartl 動平臺14幾何中心的初始位等高，即Ztl = Dtl ；②設(shè)定以Stewartl動平臺14幾何中心點(diǎn)的位姿代表Stewartl的位姿，以Puma2 手腕10末端中心點(diǎn)(設(shè)定已將噴槍5的尺寸考慮在內(nèi))的位姿代表Puma2的位姿；③第一工作點(diǎn)Sd(I)，Stewartl處于初始位，靜坐標(biāo)系中位姿R0 = (0,0, D0,0,0, 0)τ ；Puma2移至Sd(I)處，由于此時Stewartl未發(fā)生任何運(yùn)動，Puma2在靜坐標(biāo)中的位姿為 Sd⑴+Rtl;將此時兩機(jī)器人的位姿作為其工作的起點(diǎn)，得Puma2在第一工作點(diǎn)的位姿Ra(I) =RJSd(I)，Stewartl 在第一工作點(diǎn)的位姿 Rb(I) = R0 ；④從第二工作點(diǎn)Sd(2)開始，由合作方式的選取結(jié)果來決定工作點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中 的期望位姿，即串并聯(lián)機(jī)器人1和2各自在靜坐標(biāo)系中“下一個期望到達(dá)點(diǎn)的位姿”，以下稱 期望位姿。工作點(diǎn)在動坐標(biāo)系中的位姿始終為Sd(i)，與合作方式無關(guān)，但其在靜坐標(biāo)系中 的位姿隨合作方式的不同而不同，原因在于合作方式不同將引導(dǎo)Stewartl動平臺14作不 同的運(yùn)動，而工作點(diǎn)所在的坯體4固聯(lián)于Stewartl動平臺14，故動平臺14的運(yùn)動不同使得 工作點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的位姿不同，而位姿將最終影響串并聯(lián)機(jī)器人1和2的期望位姿。具體地，設(shè)定機(jī)器人在兩相鄰工作點(diǎn)之間走的路徑為直線，前一時刻兩機(jī)器人在 靜坐標(biāo)系中的實(shí)際位姿Ra(i_l)、Rb(i-1)已由下文第七部分中將描述的下層任務(wù)執(zhí)行的結(jié) 果反饋得到。若當(dāng)前工作點(diǎn)Sd(i)處控制器6選擇合作方式j(luò) = 1 ‘Aa+Bb’，則串并聯(lián)機(jī)器 人1和2各自靜坐標(biāo)系中的當(dāng)前期望位姿的迭代算法為
L0056」 公式 1 J-i'jRbORbG — iX-fSdO-SdG-l^Gj) 其中‘i-Ι’表示相對于當(dāng)前工作點(diǎn)的上一個已完成的工作點(diǎn)；{Sd(i)-Sd(i_l)} (1 3)表示Sd(i)-Sd(i_l)所得列向量的前三行，即位置；同理(4 6)表示其所屬向量 的后三行，即姿態(tài)；Rb(i)中后一項(xiàng)出現(xiàn)的負(fù)號是由于坯體4固聯(lián)與Stewartl動平臺14，工 作點(diǎn)與Stewartl同步運(yùn)動，造成Puma2和Stewartl到達(dá)工作點(diǎn)的運(yùn)動趨向相反若Puma2需順時針轉(zhuǎn)一角度到達(dá)空間某一點(diǎn)，相同的任務(wù)由Stewartl執(zhí)行時則需逆時針轉(zhuǎn)。同理，其他三種合作方式下串并聯(lián)機(jī)器人1和2各自在靜坐標(biāo)系中的當(dāng)前期望位 姿的迭代算法為公式2<formula>formula see original document page 11</formula>
第五，聯(lián)合加工的雙機(jī)器人任務(wù)配置。①設(shè)定一目標(biāo)函數(shù)作為不同合作方式下兩機(jī)器人任務(wù)完成結(jié)果的質(zhì)量評定指標(biāo)， 依據(jù)此目標(biāo)函數(shù)選出每一工作點(diǎn)處使得目標(biāo)函數(shù)值最小的最優(yōu)合作方式。所述目標(biāo)函數(shù)可 以是花費(fèi)的時間，消耗的能量，走過的路程等。本實(shí)施例以花費(fèi)的時間為目標(biāo)函數(shù)，所述時間的計(jì)算，需調(diào)用機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)逆 解算法由笛卡爾空間的機(jī)器人位姿，即上文所述的機(jī)器人在靜坐標(biāo)系中的期望位姿，反推 機(jī)器人各自關(guān)節(jié)空間的期望關(guān)節(jié)變量，而后進(jìn)一步計(jì)算得到所述的時間值。所述期望關(guān)節(jié) 變量包括Puma2的期望關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角和Stewartl的期望關(guān)節(jié)伸長量。②對每一個工作點(diǎn)在四種不同合作方式下依次計(jì)算l)Puma2完成其期望位姿運(yùn) 動所需的總用時，取Puma2各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)其期望關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角所用時間的最大值；2) Stewartl 完成其期望位姿運(yùn)動所需的總用時，取Stewartl各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)其期望關(guān)節(jié)伸長量所用時間 的最大值；3)聯(lián)合加工完成期望任務(wù)所需的總用時，取Puma2和Stewartl完成期望位姿總 用時的最大值。本實(shí)施例采用位置控制方法，將機(jī)器人自身關(guān)節(jié)運(yùn)動簡化為勻速運(yùn)動，所述運(yùn)動 學(xué)逆解選用非遞歸的直接運(yùn)動學(xué)逆解法，即由期望位姿反推求得機(jī)器人的期望關(guān)節(jié)變量。本實(shí)施例設(shè)定Puma2各關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中始終以其容許的最大轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)， Stewartl各關(guān)節(jié)以其容許的最大線速度勻速平移。③對每個工作點(diǎn)，計(jì)算得到上述四種不同合作方式下聯(lián)合加工完成期望任務(wù)的總 用時，選出用時最少的一種，作為此工作點(diǎn)的雙機(jī)器人運(yùn)動合作方式。④以上所述為工作點(diǎn)選擇雙機(jī)器人合作方式的計(jì)算過程中，可添加合理的優(yōu)化方 法對任務(wù)配置的部分技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使任務(wù)配置具有一定的靈活性和對外界環(huán)境突發(fā) 狀況的適應(yīng)性，且能夠精簡程序，縮短計(jì)算機(jī)的運(yùn)算耗時，提高控制效率。所述優(yōu)化方法包 括蟻群優(yōu)化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，自適應(yīng)優(yōu)化等。第六，評估合作方式的可行性。判斷某工作點(diǎn)選出的合作方式是否超出聯(lián)合加工 系統(tǒng)的硬件容許能力，如未超出，則接受此方式；如超出，則返回上一步，選擇次優(yōu)的合作方 式，再次判斷；直至選出在系統(tǒng)硬件容許能力范圍內(nèi)的可行合作方式，并接受其作為當(dāng)前工 作點(diǎn)的合作方式。所述的硬件容許能力包括Puma2各關(guān)節(jié)的最大容許轉(zhuǎn)角，Puma2的可達(dá) 工作空間，Stewartl各關(guān)節(jié)的最大容許伸長量，Stewartl的可達(dá)工作空間，等。第七部分為雙層控制中的下層任務(wù)執(zhí)行第七，聯(lián)合加工的雙機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行。根據(jù)選出的可行合作方式，按所述任務(wù)分配 和所述機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解設(shè)定的規(guī)則，將聯(lián)合加工的總體任務(wù)分配給Puma2和Stewartl，兩機(jī)器人隨后按照給定的任務(wù)分配指令運(yùn)動，執(zhí)行各自的子任務(wù)Puma2關(guān)節(jié)中的所述驅(qū)動控制器驅(qū)動所述伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時所述各光電編碼器 實(shí)時給出各電機(jī)的當(dāng)前實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，使Puma2向期望位姿處持續(xù)運(yùn)動，直至光電編碼器 的值都達(dá)到各電機(jī)的期望旋轉(zhuǎn)角——對應(yīng)關(guān)節(jié)的所述期望旋轉(zhuǎn)角的值時，驅(qū)動控制器控制 電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，此時Puma2到達(dá)期望位姿，完成當(dāng)前分配的子任務(wù)，并符合預(yù)先設(shè)定的各項(xiàng) 約束指標(biāo)；
Stewartl同理，各關(guān)節(jié)的所述驅(qū)動控制器驅(qū)動所述缸筒的伸縮桿進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn) 動，同時所述各光電編碼器給出各伸縮桿的當(dāng)前實(shí)際直線位移，使Stewartl向期望位姿處 持續(xù)運(yùn)動，直至光電編碼器的值都達(dá)到各伸縮桿的期望伸長量——對應(yīng)關(guān)節(jié)的所述期望伸 長量的值時，驅(qū)動控制器控制伸縮桿停止運(yùn)動，此時Stewartl到達(dá)期望位姿，完成當(dāng)前分 配的子任務(wù)，并符合預(yù)先設(shè)定的各項(xiàng)約束指標(biāo)。每完成一個工作點(diǎn)的任務(wù)執(zhí)行，即所述兩機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各自的期望位姿后，由關(guān)節(jié) 中的所述標(biāo)定裝置記錄兩機(jī)器人在靜坐標(biāo)系中的當(dāng)前實(shí)際笛卡爾位姿Ra (i)、Rb (i)，并反饋 給所述的上層控制器6，在所述下一工作點(diǎn)進(jìn)行兩機(jī)器人期望位姿的推導(dǎo)，也即所述公式1 或公式2的迭代計(jì)算時，作為相對的上一工作點(diǎn)處兩機(jī)器人的已知實(shí)際位姿使用。至此，當(dāng)前工作點(diǎn)的任務(wù)分配和任務(wù)執(zhí)行完畢，開始下一工作點(diǎn)的任務(wù)分配和任 務(wù)執(zhí)行，此時將再次順序運(yùn)行第三至第七部分的流程，且上一工作點(diǎn)的‘當(dāng)前笛卡爾位姿 Ra⑴、Rb⑴，，此時將順應(yīng)變成Ra (i-1)、Rb (i-1)。對所有工作點(diǎn)逐一執(zhí)行此流程，直至完成最后一個工作點(diǎn)的任務(wù)，施釉結(jié)束，整體 任務(wù)完成，系統(tǒng)停止工作，串并聯(lián)機(jī)器人1和2進(jìn)行復(fù)位，回至其各自初始零位，所述初始零 位為預(yù)先設(shè)定的兩機(jī)器人各自在其不工作、不帶載狀態(tài)時的初始位置。以上所述控制方法的整體流程示意圖如圖9。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比在硬件結(jié)構(gòu)上，并聯(lián)機(jī)器人作為待加工件的支承體，同時 自身又作為與串聯(lián)機(jī)器人具有同等重要性的獨(dú)立多自由度機(jī)器人，積極參與系統(tǒng)的作業(yè)， 增強(qiáng)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性；末端執(zhí)行器與串聯(lián)機(jī)器人手腕固聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)多種位姿的轉(zhuǎn)換，有 較高的靈活度；串并聯(lián)雙機(jī)器人聯(lián)合加工，擴(kuò)展了系統(tǒng)的工作空間，使系統(tǒng)能夠加工幾何形 狀更為復(fù)雜、表面更為凹凸不平整的待加工件，很大程度上拓寬了系統(tǒng)加工對象和加工條 件的應(yīng)用范圍，以滿足不同客戶的需求，提高產(chǎn)品市場競爭力；結(jié)合了串聯(lián)機(jī)器人靈巧、工 作空間大、伸展性好和并聯(lián)機(jī)器人剛度大、承載能力強(qiáng)、定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)整 體的靈活性和適應(yīng)性；除雙機(jī)器人聯(lián)合加工外，還可將并聯(lián)機(jī)器人固定不動，僅作為待加工 件支承體使用，單獨(dú)進(jìn)行串聯(lián)機(jī)器人的加工操作，在相對簡單的加工任務(wù)中使用。在軟件的 控制方法上，用一個控制器對串并聯(lián)雙機(jī)器人進(jìn)行上層控制，自動化程度高，控制的集中性 強(qiáng)；雙機(jī)器人的同步高精度協(xié)作運(yùn)動，更進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的最終加工精度；將工作點(diǎn)的 位姿任務(wù)分解為位置和姿態(tài)兩個子任務(wù)，將子任務(wù)以不同的方式分配給兩機(jī)器人，并采用 優(yōu)化組合的方法對任務(wù)的分配模式進(jìn)行優(yōu)化，得到符合硬件容許能力范圍內(nèi)的雙機(jī)器人最 優(yōu)合作方式，大大提高了生產(chǎn)效率，并使加工作業(yè)有了一定程度的智能化；分層控制的體系 結(jié)構(gòu)，任務(wù)分配和任務(wù)執(zhí)行分工明確，并有各自的硬件載體，使得加工作業(yè)的負(fù)擔(dān)被均衡分 攤，提高了系統(tǒng)整體的冗余容錯性和工程可靠性，并可延長硬件設(shè)備的整體使用壽命。本發(fā)明的主要功能是用于工業(yè)生產(chǎn)線上的加工作業(yè)，如施釉、噴涂、焊接等。通過軟件上的方法設(shè)計(jì)和硬件上的關(guān)聯(lián)合作，控制器能根據(jù)給定的任務(wù)需求和指標(biāo)自主指導(dǎo) 串并聯(lián)雙機(jī)器人完成三維空間內(nèi)位置和姿態(tài)的精確運(yùn)動和定位。實(shí)現(xiàn)了全自動化的加工作 業(yè)，減輕了操作監(jiān)控人員的工作負(fù)擔(dān)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；在滿足給定系統(tǒng)約束的 前提下，具備一定的智能性，并有相當(dāng)程度的承載能力、靈活性和容錯可靠性。該系統(tǒng)既能 實(shí)現(xiàn)串并聯(lián)雙機(jī)器人的協(xié)調(diào)合作，也能作為串聯(lián)機(jī)器人單獨(dú)的作業(yè)裝置在簡單任務(wù)中進(jìn)行 加工作業(yè)。 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，包括一個并聯(lián)的平臺式機(jī)器人、一個串聯(lián)的關(guān)節(jié)式機(jī)器人、臺架、待加工件、末端執(zhí)行器和控制器，所述控制器采用分層控制的體系結(jié)構(gòu)控制所述串聯(lián)機(jī)器人和所述并聯(lián)機(jī)器人協(xié)調(diào)配合，完成所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工的任務(wù)；所述分層控制的體系結(jié)構(gòu)，分為上層控制和下層控制；其中，所述上層為任務(wù)分配層，由控制器組成；所述下層為任務(wù)執(zhí)行層，由串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人本體組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，所述并聯(lián)機(jī)器人包括靜平臺、平移伸縮缸筒、動平臺；所述串聯(lián)機(jī)器人包括依次鉸接的基座、大臂、小臂、手腕；所述臺架的支承面在豎直方向的高度可進(jìn)行升降調(diào)節(jié)，所述臺架整體在水平面內(nèi)的位 置也可進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述待加工件置于所述并聯(lián)機(jī)器人的所述動平臺上，所述待加工件底部與所述動平臺 上表面緊密固聯(lián)；所述末端執(zhí)行器固聯(lián)于所述串聯(lián)機(jī)器人的所述手腕的末端，所述手腕備有為所述末端 執(zhí)行器預(yù)留的安裝位；以及所述控制器包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、終端顯示設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、人機(jī)操作界面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，所述并聯(lián)機(jī)器人還包括關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置包括閥、光電編碼器、標(biāo)定裝置、 驅(qū)動控制器；所述并聯(lián)機(jī)器人的所有平移伸縮缸筒的外筒均與所述靜平臺鉸接，鉸接點(diǎn)同屬一個分 布圓；所述平移伸縮缸筒的伸縮桿均與所述動平臺鉸接，鉸接點(diǎn)同屬一個分布圓；以及所述串聯(lián)機(jī)器人還包括關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置包括伺服電機(jī)、光電編碼器、標(biāo)定 裝置、驅(qū)動控制器；所述串聯(lián)機(jī)器人置于所述臺架的所述支承面上，所述支承面與所述基座緊密固聯(lián)；所述基座的軸線與所述支承面的重心線重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)，其特征在于，所述基座與所述大臂之間通過第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)鉸接，所述第一關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線為 豎直方向，所述第二關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線為水平方向；所述大臂與所述小臂之間通過第三關(guān)節(jié)鉸接，所述第三關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線與所述第二關(guān) 節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線平行；所述小臂與所述手腕之間通過第四關(guān)節(jié)鉸接，所述第四關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線與所述小臂的 軸線重合；所述手腕還包括第五關(guān)節(jié)和第六關(guān)節(jié)，所述第五關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線與所述第四關(guān)節(jié)的回 轉(zhuǎn)軸線垂直，所述第六關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線與所述第四關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸線平行。
5.一種串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述系統(tǒng)包括一個并聯(lián) 的平臺式機(jī)器人、一個串聯(lián)的關(guān)節(jié)式機(jī)器人、臺架、待加工件、末端執(zhí)行器和控制器，所述控 制方法采用分層控制的體系結(jié)構(gòu)，分為上層控制和下層控制；其中，所述上層為任務(wù)分配層，由控制器組成；所述下層為任務(wù)執(zhí)行層，由串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人本體組成； 所述任務(wù)分配層負(fù)責(zé)任務(wù)分析、位姿描述、坐標(biāo)變換、任務(wù)配置、軌跡規(guī)劃、參數(shù)優(yōu)化評 估和運(yùn)動控制等；所述任務(wù)分配層還需根據(jù)下層任務(wù)執(zhí)行的情況實(shí)時產(chǎn)生和更新發(fā)送給所述串并聯(lián)機(jī) 器人的運(yùn)動指令；所述任務(wù)執(zhí)行層負(fù)責(zé)接收所述控制器下達(dá)的指令，依據(jù)所述指令進(jìn)行機(jī)器人自身運(yùn)動 學(xué)逆解，產(chǎn)生期望關(guān)節(jié)變量，并結(jié)合關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置完成機(jī)器人本體的任務(wù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的 任務(wù)目標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 控制方法開始時先建立靜坐標(biāo)系和動坐標(biāo)系，并在所述待加工件上采樣獲得工作點(diǎn)序列；所述工作點(diǎn)的位置、姿態(tài)，以及所述串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人分別定義為四個任務(wù)元 素，根據(jù)此四個任務(wù)元素的不同搭配，可得所述聯(lián)合加工系統(tǒng)中所述串并聯(lián)機(jī)器人的四種 合作方式；任一所述工作點(diǎn)從所述四種合作方式中選取一種作為該點(diǎn)處所述串并聯(lián)機(jī)器人的合 作方式，該選取由所述控制器給出的任務(wù)分配指令決定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 串并聯(lián)機(jī)器人在任一所述工作點(diǎn)處選取所述不同的合作方式時，其各自在所述靜坐標(biāo)系中 的期望位姿的迭代算法，由公式1和公式2給出，公式1<formula>formula see original document page 3</formula>公式2<formula>formula see original document page 3</formula>所述j為所述合作方式的代號；所述Sd為所述工作點(diǎn)在所述動坐標(biāo)系中的位姿，所述i為所述工作點(diǎn)的編號； 所述Ra為所述串聯(lián)機(jī)器人于所述工作點(diǎn)i處在所述靜坐標(biāo)系中的期望位姿； 所述Rb為所述并聯(lián)機(jī)器人于所述工作點(diǎn)i處在所述靜坐標(biāo)系中的期望位姿。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 任務(wù)分配設(shè)定了一個目標(biāo)函數(shù)作為所述串并聯(lián)機(jī)器人在所述不同合作方式下任務(wù)完成結(jié) 果的質(zhì)量評定指標(biāo)；所述目標(biāo)函數(shù)負(fù)責(zé)選出所述每一工作點(diǎn)處使得其值最小的所述合作方式作為該工作 點(diǎn)處的最優(yōu)合作方式；所述目標(biāo)函數(shù)可以是花費(fèi)的時間，或消耗的能量，或走過的路程； 當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)為花費(fèi)的時間時，所述時間的計(jì)算需調(diào)用機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解算法； 所述運(yùn)動學(xué)逆解算法由機(jī)器人在靜坐標(biāo)系中的笛卡兒期望位姿反推機(jī)器人各關(guān)節(jié)空 間的期望關(guān)節(jié)變量，進(jìn)一步計(jì)算得到所述時間；所述關(guān)節(jié)變量包括所述串聯(lián)機(jī)器人的期望關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角和所述并聯(lián)機(jī)器人的期望關(guān)節(jié) 伸長量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 每一工作點(diǎn)處，都需計(jì)算所述四種不同合作方式下所述串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工完成其期望 任務(wù)的總用時，其中用時最少的一種作為此工作點(diǎn)處的所述雙機(jī)器人合作方式；所述串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工完成其期望任務(wù)的總用時，取串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人各 自完成其所述期望位姿的總用時的最大值；所述串聯(lián)機(jī)器人完成其期望位姿的總用時，取其各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)其所述期望關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角所 用時間的最大值；所述并聯(lián)機(jī)器人完成其期望位姿的總用時，取其各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)其所述期望關(guān)節(jié)伸長量所 用時間的最大值；對所述的每一工作點(diǎn)處選出的所述雙機(jī)器人合作方式，需判斷其是否超出所述串并聯(lián) 機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的硬件容許能力；如未超出所述硬件容許能力，則接受此方式，如超出，則需返回所述目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算， 選擇次優(yōu)的合作方式，再次執(zhí)行所述判斷，直至選出在所述硬件容許能力范圍內(nèi)的可行合 作方式，作為所述當(dāng)前工作點(diǎn)的合作方式。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述 任務(wù)執(zhí)行包括所述串聯(lián)機(jī)器人執(zhí)行其被分配的子任務(wù)和所述并聯(lián)機(jī)器人執(zhí)行其被分配的 子任務(wù)；所述串聯(lián)機(jī)器人被分配的子任務(wù)的流程為各關(guān)節(jié)的所述驅(qū)動控制器驅(qū)動所述伺服電 機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時所述各光電編碼器給出所述各伺服電機(jī)的當(dāng)前實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度，使所述串聯(lián)機(jī) 器人持續(xù)運(yùn)動，直至所述光電編碼器的值都達(dá)到所述各電機(jī)的期望旋轉(zhuǎn)角——對應(yīng)關(guān)節(jié)的 所述期望旋轉(zhuǎn)角的值時，所述驅(qū)動控制器控制所述伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)；所述并聯(lián)機(jī)器人被分配的子任務(wù)的流程為各關(guān)節(jié)的所述驅(qū)動控制器驅(qū)動所述缸筒 的所述伸縮桿進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動，同時所述各光電編碼器給出所述各伸縮桿的當(dāng)前實(shí)際直 線位移，使所述并聯(lián)機(jī)器人持續(xù)運(yùn)動，直至所述光電編碼器的值都達(dá)到所述各伸縮桿的期 望伸長量——對應(yīng)關(guān)節(jié)的所述期望伸長量的值時，所述驅(qū)動控制器控制所述伸縮桿停止運(yùn) 動；所述每一當(dāng)前工作點(diǎn)處，所述任務(wù)執(zhí)行在所述任務(wù)分配完成后實(shí)施；所述每一當(dāng)前工作點(diǎn)處的所述任務(wù)執(zhí)行完成后，所述兩機(jī)器人關(guān)節(jié)中的所述標(biāo)定裝置 記錄所述兩機(jī)器人在所述靜坐標(biāo)系中的當(dāng)前實(shí)際位姿，并反饋給所述控制器；所述反饋在所述下一工作點(diǎn)進(jìn)行所述兩機(jī)器人期望位姿的推導(dǎo)時，作為相對的上一工 作點(diǎn)處所述兩機(jī)器人的已知實(shí)際位姿使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種串并聯(lián)機(jī)器人聯(lián)合加工系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)包括串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、控制器，還可以包括臺架、待加工件和末端執(zhí)行器，控制器采用分層控制的體系結(jié)構(gòu)控制所述串聯(lián)機(jī)器人和所述并聯(lián)機(jī)器人，上層控制器進(jìn)行任務(wù)分配和運(yùn)動控制，下層串并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行硬件驅(qū)動和任務(wù)執(zhí)行。本發(fā)明將系統(tǒng)硬件與軟件方法結(jié)合，提高了加工的自動化程度、生產(chǎn)效率、承載能力和重復(fù)定位精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性適應(yīng)性，能夠在線實(shí)時控制，且具有一定的智能性。
文檔編號B25J9/08GK101811301SQ200910236238
公開日2010年8月25日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者付永領(lǐng), 彭朝琴, 王巖, 祁曉野, 羅婉琴 申請人:北京航空航天大學(xué)