機器人激光切割路徑的計算系統(tǒng)及其應用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種機器人激光切割路徑的計算系統(tǒng)，它按照以下步驟順序進行：1）建立激光切割硬件設施；2）基礎變換矩陣的建立；3）切割變換矩陣的建立；4）確定切割點激光入射偏移角度；5）建立每個產品切割點在每個角度變化下的機器人逆運動學方程；6）確定所有切割點對應的機器人機械臂角度變化最小值，采用在產品切割點的法向方向設置傾斜角度，對于外周形狀不規(guī)則的待切割物品，能夠保證切割出的產品具有光滑的邊緣。應用于牙套的切割，能夠使得牙套的邊緣光滑，人體佩戴時具有舒適的效果。本發(fā)明適用于機器人激光切割路徑的計算，尤其適用于機器人激光切割牙套。
【專利說明】
機器人激光切割路徑的計算系統(tǒng)及其應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于計算領域，涉及一種計算系統(tǒng)，具體涉及一種機器人激光切割路徑的 計算系統(tǒng)及其應用。
【背景技術】
[0002] 目前，機器人運動學只涉及到物體的運動規(guī)律，不考慮產生運動的力和力矩。機器 人正運動學所研究的內容是:給定機器人各關節(jié)的角度或唯一，求解計算機器人末端執(zhí)行 器相對于參考坐標系的位置和姿態(tài)問題。機械手是機器人上的重要部件，機械手是一系列 由關節(jié)連接起來的機械臂構成的，每一個機械臂建立一個坐標系，并用齊次變換描述坐標 系之間的相對位置和姿態(tài)。
[0003] 當多個機械臂組成機械手時，就需要使用聯(lián)體坐標，如聯(lián)體坐標變換A、B、C，假設A 是參考坐標系(基坐標系），則B相對于A的坐標變換以及C相對于B的坐標變換成為聯(lián)體坐標 變換。已知B在A中的表示為T1, C在B中的表示為T2,剛體在C中的表示為T3,則剛體在A中的表 示為T = T1T2T3t3但是當激光切割部規(guī)則產品或者切割特殊用途的產品時，激光的法向切割， 就不能達到相應的技術要求。對于有特殊用途的醫(yī)療器械(如牙套），由于是佩戴在人的口 腔中的，如果外形邊緣不光滑，就會對牙齦或牙齒本身產生傷害;現(xiàn)有的切割方法均為人為 進行切割加工，其在切割的過程中能夠隨著牙套本身牙齒與牙齦線的分割軌跡進行切割， 但是效率相對較低;牙套本身由于個體化差異較大，每一個均為具有獨特形狀的個體，如果 實現(xiàn)自動化生產，對于大量的具有個體差異的牙套進行切割時，就不易切割出符合要求的 產品。因此，研究一種能夠保證產品切割邊緣的圓潤性的激光切割計算系統(tǒng)，這對于切割 效率的提尚具有重要的意義。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題，是提供一種機器人激光切割路徑的計算系統(tǒng)及其應 用，采用在產品切割點的法向方向設置傾斜角度，并通過計算系統(tǒng)計算出最小的傾斜角度， 能夠對于外周形狀特殊的待切割物品，能夠保證切割出的產品具有光滑的邊緣。應用于牙 套的切割，能夠使得牙套的邊緣光滑，人體佩戴時具有舒適的效果。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：
[0006] -種機器人激光切割路徑的計算系統(tǒng)，按照以下步驟順序進行：
[0007] 1)建立激光切割硬件設施
[0008] 機器人激光切割機包括底座，串聯(lián)在其上連續(xù)的N個機械臂，機械臂自由末端的抓 取工裝以及激光器；
[0009] 2)基礎變換矩陣的建立
[0010] 建立激光坐標系①，該坐標系原點為激光在產品上的入射點，激光坐標系在機器 人坐標系②下的位置及姿態(tài)可以用一個4 X 4的旋轉變換矩陣Qlaser2base表示：
[0011]
[0012] 其中
激光坐標系①在機器人坐標系②下的位置，其中，px，p y，pz為該位置 在X，y，7,軸方向的分量，
[0013]
激光坐標系①在機器人坐標系②下的姿態(tài)，其中，nx，n y，nz為該姿 態(tài)的X軸方向的x，y，z軸方向的分量;ox，oy，oz為該姿態(tài)的Y軸方向的x，y，z軸方向的分量； ax，ay，az為該姿態(tài)的Z軸方向的x，y，z軸方向的分量；
[0014] 建立產品坐標系③，其相對于機械臂自由末端的TCP坐標系⑤的位置及姿態(tài)可以 用一個4 X 4的旋轉變換矩陣Qplate2TCP表不，其中，TCP即為機器人機械臂自由末端的位置；
[0015:
123
[0020] 其中
3產品坐標系③在TCP坐標系⑤下的位置，其中，px，p y，pz為該位置在X， y，z軸方向的分量； 2
[0017]
勺產品坐標系③在TCP坐標系⑤下的姿態(tài);其中，nx，n y，nz為該姿態(tài)的 X軸方向的x，y，z軸方向的分量;ox，oy，oz為該姿態(tài)的x，y，z軸方向的分量;a x，ay，az為該姿態(tài) 的Z軸方向的X，y，z軸方向的分量； 3 3)切割變換矩陣的建立
[0019]獲得待加工產品的三維數(shù)據(jù)，并從中提取出產品坐標系③下的切割路徑點P1、P2、 P3、……、pn，以及對應的切割點法線方向N1、N2、N 3、……、Nn;根據(jù)激光切割路徑點和切割點 法線方向建立局部坐標系④，以該局部坐標系的原點為激光切割點，坐標系相對于產品坐 標系③的位置及姿態(tài)可以用一個4 X 4的旋轉變換矩陣Q〇bj2Piate表不：
[0021] 其中
為每個切割點局部坐標系④在產品坐標系③下的位置，其中，px，p y，pz 為該位置在X，y，z軸方向的分量；
[0022]
勺切割點局部坐標系④在產品坐標系③下的位姿態(tài)，其中，nx，n y，nz 為該姿態(tài)的X軸方向的x，y，z軸方向的分量;ox，oy，oz為該姿態(tài)的Y軸方向的x，y，z軸方向的 分量;ax，ay，az為該姿態(tài)的Z軸方向的X，y，z軸方向的分量，并且所述的Z軸方向即為切割點 的法向方向；
[0023] 4)確定切割點激光入射偏移角度
[0024]設定切割入射初始方向為每個切割點的法向方向，繞偏移產品局部坐標系④的X、 y、z軸旋轉角度1^、1^、1^，最終確定切割點激光入射偏移角度你。*，對應的角度旋轉矩陣為： [00251
[
[0027] 5)建立每個產品切割點在每個角度變化下的機器人逆運動學方程
[0028] 根據(jù)機器人的D-H參數(shù)，計算對應的機械臂可到達角度{q^}，其中，qlu表示產品 的第i個切割點位置對應的機器人第j個機械臂的角度；
[0029] W奧A碰]云奸令古班士.
[0030]
[0031] 具中，j 彡 1;
[0032] 其中為機器第j各機械臂相對于第j_l個機械臂的旋轉矩陣：
[0033]
[0034]其中，Θ」，&，山和a偽機器人D-H參數(shù)，Θ偽機械臂之間的夾角，包含qlu %為機械 臂扭轉角;山為機械臂之間的距離;^為機械臂長度;上述參數(shù)代入式Π 中即可計算每個激 光切割點對應的機器人機械臂角度值qi, j，i多2; j多1;
[0035] 6)確定所有切割點對應的機器人機械臂角度值變化最小
[0036] 每個產品切割點計算對應的機器人機械臂角度值，使得所有切割點機械臂角度變 化最小，即滿足：
[0037]
[0038] 其中，i彡 2;j彡 1。
[0039] 作為本發(fā)明的一種限定，所述的機械臂個數(shù)N>1。
[0040] 作為上述限定的進一步限定，所述的N=6。
[0041] 本發(fā)明還提供了上述機器人連桿激光切割路徑的計算系統(tǒng)的應用，該計算系統(tǒng)應 用于機器人切割牙套。
[0042] 由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，所取得的技術進步在于：
[0043] 本發(fā)明采用在產品切割點的法向方向設置傾斜角度，并通過計算系統(tǒng)計算出最小 的傾斜角度，能夠對于外周形狀特殊的待切割物品，能夠保證切割出的產品具有光滑的邊 緣。應用于牙套的切割，能夠使得牙套的邊緣光滑，人體佩戴時具有舒適的效果。
[0044] 本發(fā)明適用于機器人采用連桿激光切割路徑的計算，尤其適用于機器人激光切割 牙套。
[0045] 本發(fā)明下面將結合說明書附圖與具體實施例作進一步詳細說明。
【附圖說明】
[0046] 圖1為本發(fā)明實施例1的激光切割硬件設施的結構示意圖；
[0047] 圖2為本發(fā)明實施例1的激光切割坐標轉換圖。
[0048]圖中：11一底座，12-連桿，13-抓取工裝，14一激光器；1一激光坐標系，2-機器 人坐標系，3-產品坐標系，4 一局部坐標系，5-TCP坐標系。
【具體實施方式】
[0049] 實施例1 一種機器人連桿激光切割路徑的計算系統(tǒng)
[0050] -種機器人激光切割路徑的計算系統(tǒng)，按照以下步驟順序進行：
[0051 ] 1)建立激光切割硬件設施
[0052]機器人激光切割機包括底座11，串聯(lián)在其上連續(xù)的6個機械臂12,機械臂自由末端 的抓取工裝13以及激光器14;
[0053] 2)基礎變換矩陣的建立
[0054]建立激光坐標系1，該坐標系原點為激光在產品上的入射點，激光坐標系在機器人 坐標系2下的位置及姿態(tài)可以用一個4 X 4的旋轉變換矩陣Qiaser2base表示：
[0055]
[0056] 建立產品坐標系3,其相對于機械臂自由末端的TCP坐標系5的位置及姿態(tài)可以用 一個4 X 4的旋轉變換矩陣Qplate2TCP表不，其中，TCP即為機器人機械臂自由末端的位置；
[0057]
[0058] 3)切割變換矩陣的建立
[0059]獲得待加工產品的三維數(shù)據(jù)，并從中提取出產品坐標系3下的切割路徑點Pi、P2、 P3、……、pn，以及對應的切割點法線方向N1、N2、N 3、……、Nn;根據(jù)激光切割路徑點和切割點 法線方向建立局部坐標系4,以該局部坐標系的原點為激光切割點，坐標系相對于產品坐標 系3的位置及姿態(tài)可以用一個4 X 4的旋轉變換矩陣Qcibj2plate表示：對于切割點位置
[0061 ]其中 /) = '） U = Nj' 〇 = [0 0 Ijxc/ η - oxa . ? ? ? 9
[0062] 4)確定切割點激光入射偏移角度
[0063] 設定切割入射初始方向為每個切割點的法向方向，繞偏移產品局部坐標系4的X、 y、z軸旋轉角度1^、1^、1^，最終確定切割點激光入射偏移角度你。*，對應的角度旋轉矩陣為：
[0065] QRot = QRz · Qrx · QRy;式I;
[0066] 其中，Rx、Ry、Rz滿足下表所示： L0069」對于本實施例而言，如下表所示：

[0071 ] 5)建立每個產品切割點在每個角度變化下的機器人逆運動學方程
[0072] 根據(jù)機器人的D-H參數(shù)，計算對應的機械臂可到達角度{q^}，其中，qlu表示產品 的第i個切割點位置對應的機器人第j個機械臂的角度；
[0073] 機器人逆運動學方稈為：
[0078]其中，Θ」，&，山和a偽機器人D-H參數(shù)，Θ偽機械臂之間的夾角，包含qlu %為機械 臂扭轉角;山為機械臂之間的距離;^為機械臂長度;上述參數(shù)代入式Π 中即可計算每個激 光切割點對應的機器人機械臂角度值qi,j，i多2; j多1;其中，當默認機器人每個軸運動范圍 在-180deg到180deg時，根據(jù)機器人實際軸運動范圍從中選取合適解，本實施例選用的是 ARB-120型機器人； 「00791 ARR-1州沏飢翌λ D-FT矣撒
[0081] 將上述參數(shù)代入();1的計算式中，求解出{q^};
[0082] 6)確定所有切割點對應的機器人機械臂角度值變化最小
[0083] 每個產品切割點計算對應的機器人機械臂角度值，使得所有切割點機械臂角度變 化最小，即滿足：
[0084]
[0085] 其中，i彡 2;j彡 1。
[0086] 上述機器人連桿激光切割路徑的計算系統(tǒng)應用于機器人切割牙套，能夠使得牙套 的邊緣光滑，人體佩戴時具有舒適的效果。
[0087] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限定，任 何熟悉本專業(yè)的技術人員可能利用上述技術內容作為啟示加以變更或改型為等同變化的 等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例 所作出的簡單修改，等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種機器人激光切割路徑的計算系統(tǒng)，其特征在于它按照W下步驟順序進行： 1) 建立激光切割硬件設施 機器人激光切割機包括底座（11)，串聯(lián)在其上連續(xù)的N個機械臂（12)，機械臂自由末端 的抓取工裝（13) W及激光器(14); 2) 基礎變換矩陣的建立 建立激光坐標系（1)，該坐標系原點為激光在產品上的入射點，激光坐標系在機器人坐 標系(2)下的位置及姿態(tài)可W用一個4 X 4的旋轉變換矩陣Qlaser2base表示：其中：^為激光坐標系（1)在機器人坐標系（2)下的位置，其中，Px，Py，Pz為該位置在 x，y，z軸方向的分量；為激光坐標系（1)在機器人坐標系（2)下的姿態(tài)，其中，nx，ny，nz為該姿態(tài) 的X軸方向的x，y，z軸方向的分量;〇x，〇y，〇z為該姿態(tài)的Y軸方向的x，y，z軸方向的分量;ax, ay，az為該姿態(tài)的Z軸方向的x，y，z軸方向的分量； 建立產品坐標系（3)，其相對于機械臂自由末端的TCP坐標系（5)的位置及姿態(tài)可W用 一個4X4的旋轉變換矩陣Qplate2TCP表示，其中，TCP即為機器人機械臂自由末端的位置；其中：^產品坐標系（3)在TCP坐標系（5)下的位置，其中，px，py，pz為該位置在X， y，z軸方向的分量；次J產品坐標系（3)在TCP坐標系（5)下的姿態(tài);其中，nx，ny，nz為該姿態(tài)的X 軸方向的x，y，z軸方向的分量;〇x，〇y，〇z為該姿態(tài)的x，y，z軸方向的分量;ax，ay，￡iz為該姿態(tài) 的Z軸方向的X，y，Z軸方向的分量； 3) 切割變換矩陣的建立 獲得待加工產品的Ξ維數(shù)據(jù)，并從中提取出產品坐標系（3)下的切割路徑點Pi、P2、 P3、……、Pn，W及對應的切割點法線方向Nl、化、化、……、Nn ;根據(jù)激光切割路徑點和切割點 法線方向建立局部坐標系(4)，W該局部坐標系的原點為激光切割點，坐標系相對于產品坐 標系(3)的位置及姿態(tài)可W用一個4X4的旋轉變換矩陣(Uwplate表示：其中為每個切割點局部坐標系(4)在產品坐標系（3)下的位置，其中，Px，Py，Pz為 該位置在x，y，z軸方向的分量；為切割點局部坐標系（4)在產品坐標系（3)下的位姿態(tài)，其中，nx，ny，nz為 該姿態(tài)的X軸方向的x，y，z軸方向的分量;〇x，〇y，〇z為該姿態(tài)的Y軸方向的x，y，z軸方向的分 量;ax，ay，山為該姿態(tài)的Z軸方向的X，y，Z軸方向的分量，并且所述的Z軸方向即為切割點的 法向方向； 4) 確定切割點激光入射偏移角度 設定切割入射初始方向為每個切割點的法向方向，繞偏移產品局部坐標系(4)的x、y、z 軸旋轉角度Rχ、Ry、Rz，最終確定切割點激光入射偏移角度化。t，對應的角度旋轉矩陣為：5) 建立每個產品切割點在每個角度變化下的機器人逆運動學方程 根據(jù)機器人的D-H參數(shù)，計算對應的機械臂可到達角度其中，表示產品的第 i個切割點位置對應的機器人第j個機械臂的角度； 機器人逆運動學方程為：其中， 其中巧4 ;為機器第j各機械臂相對于第j-1個機械臂的旋轉矩陣：其中，0j，aj，dj和aj為機器人D-H參數(shù)，為機械臂之間的夾角，包含qi,j;aj為機械臂扭 轉角;山為機械臂之間的距離;aj為機械臂長度;上述參數(shù)代入式Π 中即可計算每個激光切 割點對應的機器人機械臂角度值qy，i > 2; j > 1; 6)確定所有切割點對應的機器人機械臂角度值變化最小 每個產品切割點計算對應的機器人機械臂角度值，使得所有切割點機械臂角度變化最 小，即滿足：其中，2. 根據(jù)權利要求1所述的機器人連桿激光切割路徑的計算系統(tǒng)，其特征在于:所述的機 械臂個數(shù)N>1。3. 根據(jù)權利要求2所述的機器人連桿激光切割路徑的計算系統(tǒng)，其特征在于:所述的N 二 6。4. 一種如權利要求1-3中任一項所述的機器人連桿激光切割路徑的計算系統(tǒng)的應用， 其特征在于:所述的計算系統(tǒng)應用于機器人切割牙套。
【文檔編號】G06F19/00GK105938512SQ201510831522
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年11月25日
【發(fā)明人】姚峻峰, 查凱, 沈斌杰
【申請人】上海正雅齒科科技有限公司