串并联机器人联合加工系统及其控制方法

专利名称：串并联机器人联合加工系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种工业加工用双机器人协作系统及其软件控制方法，尤其涉及一种 串并联机器人联合加工系统及其软件控制方法。
背景技术：
近年来，将机器人应用于工业加工生产线已成为国内外加工业的主流趋势之一。 此类机器人的数量迅速增长，新类型不断涌现，相应的软件控制方法也逐渐多样化。工业加 工用机器人通常由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，有3 6个运动自由度。 驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统按照输入 的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号并进行控制。此类机器人按臂部的运动形式分为四种直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移 动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩； 关节型的臂部有多个转动关节。按执行机构运动的控制机能分为点位型，只控制执行机构 由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等简单作业；连续 轨迹型，可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。若配备触觉、力 觉或简单视觉传感器，即能在较为复杂的环境下工作；若具有识别功能或更进一步增加自 适应、自学习功能，即成为智能型机器人。现有技术中的机器人加工系统大多是单机器人，且是简单的串联机械手，待加工 件支承体或为固定不动的支承台或为仅能在水平面内作圆周转动的简单平台。此类系统的 主要不足是结构简单，仅能实现单一的几种运动形式；工作空间小，承载能力有限；串联 机械手存在关节累计误差，使末端执行器的重复定位精度降低；灵活性和适应性较差，通常 不具有冗余容错功能；绝大部分的作业负担集中在串联机械手上，设备的任务分配不均衡， 影响系统整体寿命；仅串联机械手全程运动完成主要任务，致使生产效率不高。系统的软件控制方法大多为简单的离线示教编程方法，仅能为机器人提供有限的 单一化的运动指令，限制了机器人的工作方式和运动的灵活性；必须离线设定好所有的运 动指令，一旦机器人开始工作，无法再实时更改指令，致使机器人没有应对现场环境变化和 突发状况的能力。

发明内容
本发明提供一种承载能力强、工作空间大、生产效率高、灵活性适应性强、自动化 程度高、具有一定智能性和冗余容错可靠性的高精度串并联机器人联合加工系统及其软件 控制方法。本发明串并联机器人联合加工系统，包括串联机器人、并联机器人、控制器，还可 以包括台架、待加工件和末端执行器。所述串联机器人包括基座、大臂、小臂、具有多个自由 度的手腕；所述并联机器人包括静平台、动平台、伸缩杆和外筒组合成的缸筒；所述串联机 器人固联于所述台架；所述末端执行器固联于所述串联机器人手腕末端；所述待加工件固联于所述并联机器人动平台；所述控制器包括工业计算机、显示器及鼠标键盘等外围输入 输出设备。本发明串并联机器人联合加工系统的控制方法，采用分层控制的体系结构，上层 为控制器，进行串并联机器人的任务分析、位姿描述、坐标变换、任务分配和优化评估等解 算，根据任务执行的情况实时产生和更新机器人本体的运动指令，指导串并联机器人进行 协调合作；下层为串并联机器人，接收控制器下达的指令，依据指令进行机器人自身运动学 逆解，产生期望关节变量，并结合关节驱动装置完成机器人本体的任务执行，实现预期的任 务目标。本发明的串并联机器人联合加工系统及其控制方法，有机结合了串并联机器人各自在结构上的优点，提高了系统的自动化程度，使系统整体的工作空间、承载能力得到拓 展，增强了系统对不同待加工件和加工条件的适应性和灵活性，系统整体的生产效率、重复 定位精度、容错可靠性得到很大的提高，同时具有一定的实时规划、实时监控、实时调整更 新的智能性。


图1为本发明的串并联机器人联合加工系统的整体硬件结构示意图；图2为本发明中的并联机器人的硬件结构及坐标系分布示意图；图3为本发明中的串联机器人的硬件结构及坐标系分布示意图；图4为本发明中的台架的结构示意图；图5为本发明中末端执行器与待加工件表面在加工中维持法向间距的示意图；图6为本发明中生成期望工作点的示意图；图7为本发明中期望工作点在动坐标系中的位姿描述的方法示意图；图8为本发明中的控制器进行串并联机器人任务分配的方法示意图；图9为本发明中的串并联机器人联合加工系统控制方法的流程示意图。图中1.并联机器人2.串联机器人3.台架4.待加工件5.末端执行6.控 制器7.串联机器人基座8.串联机器人大臂9.串联机器人小臂10.串联机器人手腕 11.并联机器人静平台12.并联机器人缸筒的外筒13.并联机器人缸筒的伸缩杆14.并 联机器人动平台
具体实施例方式本发明的串并联机器人联合加工系统，其较佳的具体实施方式
如图1所示，包括 一个并联的平台式机器人1、一个串联的关节式机器人2、台架3、待加工件4、末端执行器5 和控制器6。其中串联机器人2具有六个自由度；并联机器人1具有六个自由度；台架3作 为串联机器人2调整整体操作高度的支承件；末端执行器5为加工任务的终端执行元件； 控制器6包括工业计算机、终端显示设备、外围输入输出设备及人机交互界面。并联机器人1的结构如图2，具有六个自由度，包括静平台11、六个并联铰接的平 移伸缩缸筒12、13以及动平台14。其中所述六个缸筒结构相同，缸筒的外筒12和静平台 11铰接，铰接点同属一个分布圆；缸筒的伸缩杆13和动平台14铰接，铰接点同属一个分布 圆。所述缸筒可以为液压油缸，也可以为气缸。所述缸筒的驱动还包括液压伺服阀(缸筒为液压油缸时)或气动阀(缸筒为气缸时)、光电编码器、标定装置、驱动控制器等元件。工作时，所述并联机器人的六个缸筒分别伸长或缩短，可使动平台14实现空间六 自由度的运动。单个缸筒的伸缩杆最大行程可达280mm。串联机器人2的结构如图3，具有六个自由度，包括依次铰接的基座7、大臂8、小臂 9及手腕10。其中基座7与大臂8之间通过第一关节I和第二关节II铰接，第一关节I的 回转轴线为竖直方向，第二关节II的回转轴线为水平方向；大臂8与小臂9之间通过第三 关节III铰接，第三关节III的回转轴线与第二关节II的回转轴线平行；小臂9与手腕10 通过第四关节IV铰接，第四关节IV的回转轴线与小臂3的轴线重合；手腕10还包括第五 关节V和第六关节VI，第五关节V的回转轴线与第四关节IV的回转轴线垂直，第六关节VI 的回转轴线与第四关节IV的回转轴线平行。所述六关节为直流伺服电机驱动，所述驱动还 包括光电编码器、标定装置、驱动控制器等元件。工作时，第一关节I的轴线为竖直方向，在水平面正负170度范围内运动；第二关 节II轴线与第一关节I轴线垂直，在竖直平面正150度负45度范围内运动；第三关节III 轴线与第二关节II轴线垂直，在竖直平面正210度负152度范围内运动；第四关节IV轴线 与第三关节III轴线垂直，绕自身轴线做正负190度的旋转；第五关节V轴线与其回转轴线 重合，实现空间正负125度的旋转；第六关节VI轴线与第四关节IV轴线平行，实现空间正 负360度的旋转。第四关节IV、第五关节V和第六关节VI的轴线相交于同一点，且三关节 轴相互垂直。台架3结构如图4，其支承面在竖直Z方向可进行升降，用以调节支承面的Z向高 度，改变串联机器人2的基座与地面的高度差，进而调节串联机器人2的基座与并联机器人 1的动平台在Z向的高度差。台架3整体在与水平地面平行的二维X-Y平面内的位置可调， 从而调节串联机器人2的基座与并联机器人1的基座在X-Y平面内的二维距离。所述串联机器人2置于所述台架3的支承面上，所述台架3的支承面与串联机器 人2的基座紧密固联，加工过程中两者无任何相对运动。所述串联机器人2的基座轴线与 所述台架3的支承面重心线重合。待加工件4置于并联机器人1的动平台14上。所述待加工件4的底部与动平台 14的上表面紧密固联，加工过程中两者无任何相对运动。如待加工件4重心与其横向剖面 的几何中心重合，则待加工件4横向剖面的几何中心与并联机器人1的动平台14的中心竖 直共线；如待加工件4重心与其横向剖面的几何中心不重合，则待加工件4重心与并联机器 人1的动平台14的中心竖直共线。末端执行器5固联于串联机器人2的手腕10末端。工作过程中，所述末端执行器 5和串联机器人2的手腕10严格同步，无任何相对运动。所述末端执行器5为联合加工任 务中执行具体加工操作的终端执行元件，可更换可拆卸，使用时根据具体任务需求，选择合 适的类型及型号，安装于所述串联机器人2手腕10末端为其预留的安装位。控制器6为联合加工系统的控制中心，串并联机器人1和2的上级监控设备。所 述控制器6采用工业计算机进行生产过程中的任务需求分析、现场数据采集、所得数据分 析处理、向所述串并联机器人1和2下达运动指令等一系列工作。所述控制器6还包括终 端显示设备、输入输出设备及人机操作界面，可以由显示器、键盘鼠标以及规划控制软件等 组成。
工作时，所述串联机器人2和所述并联机器人1依据所述控制器6下达的指令进行运动，两机器人协调配合，共同完成加工任务。 基于上述发明的硬件组成和结构，提出一种串并联机器人联合加工系统的控制方 法。该方法采用分层控制的体系结构，分为上层控制和下层控制。上层为任务分配层，下层 为任务执行层。上层为控制器6，负责任务分析、位姿描述、坐标变换、任务配置、轨迹规划、 参数优化评估和运动控制等，根据下层任务执行的情况实时产生和更新发送给串并联机器 人1和2的运动指令；下层为串并联机器人1和2的本体，接收所述控制器6下达的指令， 依据指令进行机器人自身运动学逆解，产生期望关节变量，而后结合关节驱动装置完成机 器人本体的任务执行，实现预期的任务目标。通过所述的软件方法设计和硬件驱动，控制器 6能够指导串联机器人2和并联机器人1进行协调合作，共同完成加工任务。本发明的串并联机器人联合加工系统可配备于施釉、切割、焊接、装配和研磨抛光 等工业生产的多种应用中。将本发明的串并联机器人联合加工系统及其控制方法应用于陶瓷加工工业中对 陶瓷坯体的表面进行施釉的工艺中，所述待加工件4为陶瓷坯体，以下称坯体4 ；所述末端 执行器5为施釉喷枪，以下称喷枪5 ；喷枪5连接空气压缩机风管，利用压缩空气将釉料喷 成雾状，所述雾状釉料经喷枪5的枪口喷出，均勻粘附于坯体4表面，形成厚薄均勻的釉层； 所述并联机器人1为六自由度液压伺服阀及液压油缸驱动的Stewart并联平台，以下称 Stewartl ；所述串联机器人2为六自由度直流伺服电机驱动的Puma串联工业机器人，以下 称 Puma2。所述喷枪5固联于Puma2的手腕10末端，与Puma2手腕同步运动；所述坯体4固 联于Stewartl动平台14，与动平台14同步运动；所述台架3的支承面，其空间位置可调， 用以调整与其固联的Puma2基座7在静坐标系中的三维位置；所述Stewartl静平台11固 联于静坐标系。将本发明的串并联机器人联合加工系统及其控制方法应用于切割时，所述待加工 件4为各种待切割金属或非金属材料，所述末端执行器5为切割专用刀具，串并联机器人1 和2通过协调运动使所述刀具以要求的接触力度接触所述待切割材料，并在指定的位置按 指定的样式将所述材料进行切割。将本发明的串并联机器人联合加工系统及其控制方法应用于焊接时，所述待加工 件4为各种待焊接金属或热塑性材料，所述末端执行器为焊枪，焊枪中装有焊料，串并联机 器人1和2协调运动使所述待焊接材料和焊料熔化形成熔融区域，称熔池，熔池冷却凝固后 便形成材料之间的连接。将本发明的串并联机器人联合加工系统及其控制方法应用于装配时，所述待加工 件4为装配母体，所述末端执行器5为各种待装配入所述母体的零件，串并联机器人1和2 协调运动将所述待装配零件按规定的技术要求精确组装入所述母体中，最终整体形成合格 的产品。将本发明的串并联机器人联合加工系统及其控制方法应用于研磨抛光(简称磨 抛)时，所述待加工件4为待磨抛的金属或非金属工件，所述末端执行器5为专用磨抛工 具，加工时，先利用涂敷或压嵌在所述磨抛工具上的磨料颗粒，通过所述工具与所述待磨抛 工件在一定压力下的相对滚动和碰撞对所述待磨抛工件的加工表面进行精整加工，用以去除所述待磨抛工件的表面凸锋，从而减小表面粗糙度；而后用抛光粉和所述待磨抛工件的表面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕，进一步提高所述待磨抛工件表面的光滑度 和光泽。在以上所述的应用场合中，所述待加工件4和所述末端执行器5两者与本发明的 串并联机器人联合加工系统中其他组成部分的结构关系、位置关系、硬件连接等，针对不同 的实施对象其具体细节略有差别，但主要思路和方法均基本类似。以下介绍所述串并联机器人联合加工系统的控制方法应应用于所述陶瓷坯体施 釉的实施例中时，所述控制方法的设计思想和实现手段。如图2，建立静坐标系XYZ，其原点0位于Stewartl静平台11的几何中心，X_Y平 面与静平台11上各液压缸铰接点分布圆共面；建立随坯体4及Stewartl动平台14同步运 动的动坐标系X' Y' V，其原点0'位于Stewartl动平台14几何中心，X-Y平面与动平 台14上的各铰接点分布圆共面。当动平台14位于初始零位时，动、静坐标系的Z'和Z轴 重合，动静平台14、11的Z向距离为Dtl且静坐标系Z轴穿过0'。施釉时，所述喷枪5喷口与坯体4的待施釉曲面的法向需维持一定的间距，如图5， 喷枪5移动至接近待加工位置点P时，其喷口的朝向应与点P的法线两的方向平行反向，喷 口的几何中心线应与法线两重合；最终精确到达待加工位置点P时，喷口末端还需要与点 P在法线两方向上维持一个预先设定的距离d，以确保喷枪5不会触碰待加工件的表面，且 釉料能以适当的厚度均勻、连续地喷于坯体4表面。所述参数d根据具体任务要求的釉面 厚度以及喷枪5喷口的口径大小具体设定。控制方法的实现流程主要包括以下七个部分第一和第二部分为初始化和空间坐标变换法则的定义第一，确定任务，将任务描述成工作点的集合的形式。如图6，根据喷枪5出口釉料 的喷射范围，在待施釉曲面上取若干相隔一段距离的空间三维连续曲线；根据所述曲线的 空间延展范围、曲线曲率的大小和分布、串并联机器人1和2的关节容许运动速度的大小， 确定各曲线上相邻采样点的间隔；将喷口与待加工曲面的法向间距要求d考虑进来，得到 每条曲线的采样点序列，也即所述的待加工位置点。设定所述采样点序列在动坐标系中的坐标描述为Sd(i)，其中i为计数符号，表示 序列中的第i个点。所述Sd(i)为列向量，含6个元素，前三行为位置坐标，后三行为姿态 坐标，以下与位姿有关的叙述中沿用此表达方式。所述序列Sd(i)作为所述串并联机器人 联合加工系统期望到达的空间三维轨迹点，通过串并联机器人1和2的协调运动，使Pumal 的手腕10末端固联的喷枪5的喷口按要求精确对准待加工件上的轨迹点，而后进行施釉。 所述轨迹点序列Sd(i)用以对加工任务进行技术描述，以下称Sd(i)为工作点。第二，工作点在动坐标系中的位姿描述。如图7，任一工作点P的空间状态用在 相应坐标系中的位姿来描述，每个位姿包括三维的位置和三维的姿态。图中δ 为工作点 在动坐标系中的位置向量，投影到χ-γ平面为向量0F’ ,再将分别向χ、Υ轴投影，并将
向Z轴投影，得到动坐标系中P的位置=为动坐标系中工作点处的法向
量，将其起点移至坐标系原点0，得到向量閃，将两投影至X-Y平面得到向量同理， 由_和顷可得动坐标系中P的姿态司=斤^ 1 4又则点？在动坐标系中的位姿为<formula>formula see original document page 10</formula>第三至第六部分为双层控制中的上层任务分配第三，定义任务元素和双机器人协调运动的合作方式。将工作点在静坐标系中的 位置(position)定义为A，姿态(orientation)定义为B，将串联机器人(Puma2)定义为a， 并联机器人(Stewartl)定义为b。根据A、B、a、b的不同搭配得到四种组合形式，作为所 述联合加工系统中串并联机器人1和2的合作方式，如图8。若某一工作点在静坐标系中 的期望位置分配给Puma2来实现，期望姿态分配给Stewartl来实现，合作方式为‘Aa+Bb’， 用j = 1表征此备选项；若工作点的期望位置和姿态的分配与j = 1恰相反，合作方式变成 ‘Ab+Ba’，用j = 2表征；若整个位姿都分配给Puma2，得到j = 3的方式‘(A+B)a’ ；若整个 位姿都分配给Stewartl，得到j = 4的方式‘(A+B)b’。工作点序列Sd(i)中的每一个点， 均可从以上所述四种合作方式中选取一种作为该点处两机器人的合作方式，具体选择何种 方法由控制器6给出的任务分配指令决定。第四，将工作点在动坐标系中的位姿转换为静坐标系中以任务元素A，a, B, b表示 的位姿。 ①调整台架3整体的X-Y位置以及支承面的Z向高度，将Puma2基座7在静坐标系 中的三维位置(xQ，yQ，zQ)设定至合适的值。本最佳实施例中，设定Puma2基座7与Stewartl 动平台14几何中心的初始位等高，即Ztl = Dtl ；②设定以Stewartl动平台14几何中心点的位姿代表Stewartl的位姿，以Puma2 手腕10末端中心点(设定已将喷枪5的尺寸考虑在内)的位姿代表Puma2的位姿；③第一工作点Sd(I)，Stewartl处于初始位，静坐标系中位姿R0 = (0,0, D0,0,0, 0)τ ；Puma2移至Sd(I)处，由于此时Stewartl未发生任何运动，Puma2在静坐标中的位姿为 Sd⑴+Rtl;将此时两机器人的位姿作为其工作的起点，得Puma2在第一工作点的位姿Ra(I) =RJSd(I)，Stewartl 在第一工作点的位姿 Rb(I) = R0 ；④从第二工作点Sd(2)开始，由合作方式的选取结果来决定工作点在静坐标系中 的期望位姿，即串并联机器人1和2各自在静坐标系中“下一个期望到达点的位姿”，以下称 期望位姿。工作点在动坐标系中的位姿始终为Sd(i)，与合作方式无关，但其在静坐标系中 的位姿随合作方式的不同而不同，原因在于合作方式不同将引导Stewartl动平台14作不 同的运动，而工作点所在的坯体4固联于Stewartl动平台14，故动平台14的运动不同使得 工作点在静坐标系中的位姿不同，而位姿将最终影响串并联机器人1和2的期望位姿。具体地，设定机器人在两相邻工作点之间走的路径为直线，前一时刻两机器人在 静坐标系中的实际位姿Ra(i_l)、Rb(i-1)已由下文第七部分中将描述的下层任务执行的结 果反馈得到。若当前工作点Sd(i)处控制器6选择合作方式j = 1 ‘Aa+Bb’，则串并联机器 人1和2各自静坐标系中的当前期望位姿的迭代算法为
L0056」 公式 1 J-i'jRbORbG — iX-fSdO-SdG-l^Gj) 其中‘i-Ι’表示相对于当前工作点的上一个已完成的工作点；{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)表示其所属向量 的后三行，即姿态；Rb(i)中后一项出现的负号是由于坯体4固联与Stewartl动平台14，工 作点与Stewartl同步运动，造成Puma2和Stewartl到达工作点的运动趋向相反若Puma2需顺时针转一角度到达空间某一点，相同的任务由Stewartl执行时则需逆时针转。同理，其他三种合作方式下串并联机器人1和2各自在静坐标系中的当前期望位 姿的迭代算法为公式2<formula>formula see original document page 11</formula>
第五，联合加工的双机器人任务配置。①设定一目标函数作为不同合作方式下两机器人任务完成结果的质量评定指标， 依据此目标函数选出每一工作点处使得目标函数值最小的最优合作方式。所述目标函数可 以是花费的时间，消耗的能量，走过的路程等。本实施例以花费的时间为目标函数，所述时间的计算，需调用机器人的运动学逆 解算法由笛卡尔空间的机器人位姿，即上文所述的机器人在静坐标系中的期望位姿，反推 机器人各自关节空间的期望关节变量，而后进一步计算得到所述的时间值。所述期望关节 变量包括Puma2的期望关节旋转角和Stewartl的期望关节伸长量。②对每一个工作点在四种不同合作方式下依次计算l)Puma2完成其期望位姿运 动所需的总用时，取Puma2各关节实现其期望关节旋转角所用时间的最大值；2) Stewartl 完成其期望位姿运动所需的总用时，取Stewartl各关节实现其期望关节伸长量所用时间 的最大值；3)联合加工完成期望任务所需的总用时，取Puma2和Stewartl完成期望位姿总 用时的最大值。本实施例采用位置控制方法，将机器人自身关节运动简化为勻速运动，所述运动 学逆解选用非递归的直接运动学逆解法，即由期望位姿反推求得机器人的期望关节变量。本实施例设定Puma2各关节运动过程中始终以其容许的最大转速勻速旋转， Stewartl各关节以其容许的最大线速度勻速平移。③对每个工作点，计算得到上述四种不同合作方式下联合加工完成期望任务的总 用时，选出用时最少的一种，作为此工作点的双机器人运动合作方式。④以上所述为工作点选择双机器人合作方式的计算过程中，可添加合理的优化方 法对任务配置的部分技术参数进行优化，使任务配置具有一定的灵活性和对外界环境突发 状况的适应性，且能够精简程序，缩短计算机的运算耗时，提高控制效率。所述优化方法包 括蚁群优化，神经网络优化，自适应优化等。第六，评估合作方式的可行性。判断某工作点选出的合作方式是否超出联合加工 系统的硬件容许能力，如未超出，则接受此方式；如超出，则返回上一步，选择次优的合作方 式，再次判断；直至选出在系统硬件容许能力范围内的可行合作方式，并接受其作为当前工 作点的合作方式。所述的硬件容许能力包括Puma2各关节的最大容许转角，Puma2的可达 工作空间，Stewartl各关节的最大容许伸长量，Stewartl的可达工作空间，等。第七部分为双层控制中的下层任务执行第七，联合加工的双机器人任务执行。根据选出的可行合作方式，按所述任务分配 和所述机器人运动学逆解设定的规则，将联合加工的总体任务分配给Puma2和Stewartl，两机器人随后按照给定的任务分配指令运动，执行各自的子任务Puma2关节中的所述驱动控制器驱动所述伺服电机旋转，同时所述各光电编码器 实时给出各电机的当前实际旋转角度，使Puma2向期望位姿处持续运动，直至光电编码器 的值都达到各电机的期望旋转角——对应关节的所述期望旋转角的值时，驱动控制器控制 电机停止旋转，此时Puma2到达期望位姿，完成当前分配的子任务，并符合预先设定的各项 约束指标；
Stewartl同理，各关节的所述驱动控制器驱动所述缸筒的伸缩杆进行直线往复运 动，同时所述各光电编码器给出各伸缩杆的当前实际直线位移，使Stewartl向期望位姿处 持续运动，直至光电编码器的值都达到各伸缩杆的期望伸长量——对应关节的所述期望伸 长量的值时，驱动控制器控制伸缩杆停止运动，此时Stewartl到达期望位姿，完成当前分 配的子任务，并符合预先设定的各项约束指标。每完成一个工作点的任务执行，即所述两机器人实现各自的期望位姿后，由关节 中的所述标定装置记录两机器人在静坐标系中的当前实际笛卡尔位姿Ra (i)、Rb (i)，并反馈 给所述的上层控制器6，在所述下一工作点进行两机器人期望位姿的推导，也即所述公式1 或公式2的迭代计算时，作为相对的上一工作点处两机器人的已知实际位姿使用。至此，当前工作点的任务分配和任务执行完毕，开始下一工作点的任务分配和任 务执行，此时将再次顺序运行第三至第七部分的流程，且上一工作点的‘当前笛卡尔位姿 Ra⑴、Rb⑴，，此时将顺应变成Ra (i-1)、Rb (i-1)。对所有工作点逐一执行此流程，直至完成最后一个工作点的任务，施釉结束，整体 任务完成，系统停止工作，串并联机器人1和2进行复位，回至其各自初始零位，所述初始零 位为预先设定的两机器人各自在其不工作、不带载状态时的初始位置。以上所述控制方法的整体流程示意图如图9。本发明与现有技术相比在硬件结构上，并联机器人作为待加工件的支承体，同时 自身又作为与串联机器人具有同等重要性的独立多自由度机器人，积极参与系统的作业， 增强了系统结构的紧凑性；末端执行器与串联机器人手腕固联，能实现多种位姿的转换，有 较高的灵活度；串并联双机器人联合加工，扩展了系统的工作空间，使系统能够加工几何形 状更为复杂、表面更为凹凸不平整的待加工件，很大程度上拓宽了系统加工对象和加工条 件的应用范围，以满足不同客户的需求，提高产品市场竞争力；结合了串联机器人灵巧、工 作空间大、伸展性好和并联机器人刚度大、承载能力强、定位精度高的优点，提高了系统整 体的灵活性和适应性；除双机器人联合加工外，还可将并联机器人固定不动，仅作为待加工 件支承体使用，单独进行串联机器人的加工操作，在相对简单的加工任务中使用。在软件的 控制方法上，用一个控制器对串并联双机器人进行上层控制，自动化程度高，控制的集中性 强；双机器人的同步高精度协作运动，更进一步提高了系统的最终加工精度；将工作点的 位姿任务分解为位置和姿态两个子任务，将子任务以不同的方式分配给两机器人，并采用 优化组合的方法对任务的分配模式进行优化，得到符合硬件容许能力范围内的双机器人最 优合作方式，大大提高了生产效率，并使加工作业有了一定程度的智能化；分层控制的体系 结构，任务分配和任务执行分工明确，并有各自的硬件载体，使得加工作业的负担被均衡分 摊，提高了系统整体的冗余容错性和工程可靠性，并可延长硬件设备的整体使用寿命。本发明的主要功能是用于工业生产线上的加工作业，如施釉、喷涂、焊接等。通过软件上的方法设计和硬件上的关联合作，控制器能根据给定的任务需求和指标自主指导 串并联双机器人完成三维空间内位置和姿态的精确运动和定位。实现了全自动化的加工作 业，减轻了操作监控人员的工作负担，提高了生产效率和产品质量；在满足给定系统约束的 前提下，具备一定的智能性，并有相当程度的承载能力、灵活性和容错可靠性。该系统既能 实现串并联双机器人的协调合作，也能作为串联机器人单独的作业装置在简单任务中进行 加工作业。 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种串并联机器人联合加工系统，其特征在于，包括一个并联的平台式机器人、一个串联的关节式机器人、台架、待加工件、末端执行器和控制器，所述控制器采用分层控制的体系结构控制所述串联机器人和所述并联机器人协调配合，完成所述的串并联机器人联合加工的任务；所述分层控制的体系结构，分为上层控制和下层控制；其中，所述上层为任务分配层，由控制器组成；所述下层为任务执行层，由串联机器人和并联机器人本体组成。
2.根据权利要求1所述的串并联机器人联合加工系统，其特征在于，所述并联机器人包括静平台、平移伸缩缸筒、动平台；所述串联机器人包括依次铰接的基座、大臂、小臂、手腕；所述台架的支承面在竖直方向的高度可进行升降调节，所述台架整体在水平面内的位 置也可进行调节；所述待加工件置于所述并联机器人的所述动平台上，所述待加工件底部与所述动平台 上表面紧密固联；所述末端执行器固联于所述串联机器人的所述手腕的末端，所述手腕备有为所述末端 执行器预留的安装位；以及所述控制器包括工业计算机、终端显示设备、输入输出设备、人机操作界面。
3.根据权利要求1或2所述的串并联机器人联合加工系统，其特征在于，所述并联机器人还包括关节驱动装置，所述驱动装置包括阀、光电编码器、标定装置、 驱动控制器；所述并联机器人的所有平移伸缩缸筒的外筒均与所述静平台铰接，铰接点同属一个分 布圆；所述平移伸缩缸筒的伸缩杆均与所述动平台铰接，铰接点同属一个分布圆；以及所述串联机器人还包括关节驱动装置，所述驱动装置包括伺服电机、光电编码器、标定 装置、驱动控制器；所述串联机器人置于所述台架的所述支承面上，所述支承面与所述基座紧密固联；所述基座的轴线与所述支承面的重心线重合。
4.根据权利要求3所述的串并联机器人联合加工系统，其特征在于，所述基座与所述大臂之间通过第一关节和第二关节铰接，所述第一关节的回转轴线为 竖直方向，所述第二关节的回转轴线为水平方向；所述大臂与所述小臂之间通过第三关节铰接，所述第三关节的回转轴线与所述第二关 节的回转轴线平行；所述小臂与所述手腕之间通过第四关节铰接，所述第四关节的回转轴线与所述小臂的 轴线重合；所述手腕还包括第五关节和第六关节，所述第五关节的回转轴线与所述第四关节的回 转轴线垂直，所述第六关节的回转轴线与所述第四关节的回转轴线平行。
5.一种串并联机器人联合加工系统的控制方法，其特征在于，所述系统包括一个并联 的平台式机器人、一个串联的关节式机器人、台架、待加工件、末端执行器和控制器，所述控 制方法采用分层控制的体系结构，分为上层控制和下层控制；其中，所述上层为任务分配层，由控制器组成；所述下层为任务执行层，由串联机器人和并联机器人本体组成； 所述任务分配层负责任务分析、位姿描述、坐标变换、任务配置、轨迹规划、参数优化评 估和运动控制等；所述任务分配层还需根据下层任务执行的情况实时产生和更新发送给所述串并联机 器人的运动指令；所述任务执行层负责接收所述控制器下达的指令，依据所述指令进行机器人自身运动 学逆解，产生期望关节变量，并结合关节驱动装置完成机器人本体的任务执行，实现预期的 任务目标。
6.根据权利要求5所述的串并联机器人联合加工系统的控制方法，其特征在于，所述 控制方法开始时先建立静坐标系和动坐标系，并在所述待加工件上采样获得工作点序列；所述工作点的位置、姿态，以及所述串联机器人、并联机器人分别定义为四个任务元 素，根据此四个任务元素的不同搭配，可得所述联合加工系统中所述串并联机器人的四种 合作方式；任一所述工作点从所述四种合作方式中选取一种作为该点处所述串并联机器人的合 作方式，该选取由所述控制器给出的任务分配指令决定。
7.根据权利要求6所述的串并联机器人联合加工系统的控制方法，其特征在于，所述 串并联机器人在任一所述工作点处选取所述不同的合作方式时，其各自在所述静坐标系中 的期望位姿的迭代算法，由公式1和公式2给出，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为所述合作方式的代号；所述Sd为所述工作点在所述动坐标系中的位姿，所述i为所述工作点的编号； 所述Ra为所述串联机器人于所述工作点i处在所述静坐标系中的期望位姿； 所述Rb为所述并联机器人于所述工作点i处在所述静坐标系中的期望位姿。
8.根据权利要求5所述的串并联机器人联合加工系统的控制方法，其特征在于，所述 任务分配设定了一个目标函数作为所述串并联机器人在所述不同合作方式下任务完成结 果的质量评定指标；所述目标函数负责选出所述每一工作点处使得其值最小的所述合作方式作为该工作 点处的最优合作方式；所述目标函数可以是花费的时间，或消耗的能量，或走过的路程； 当所述目标函数为花费的时间时，所述时间的计算需调用机器人运动学逆解算法； 所述运动学逆解算法由机器人在静坐标系中的笛卡儿期望位姿反推机器人各关节空 间的期望关节变量，进一步计算得到所述时间；所述关节变量包括所述串联机器人的期望关节旋转角和所述并联机器人的期望关节 伸长量。
9.根据权利要求8所述的串并联机器人联合加工系统的控制方法，其特征在于，所述 每一工作点处，都需计算所述四种不同合作方式下所述串并联机器人联合加工完成其期望 任务的总用时，其中用时最少的一种作为此工作点处的所述双机器人合作方式；所述串并联机器人联合加工完成其期望任务的总用时，取串联机器人和并联机器人各 自完成其所述期望位姿的总用时的最大值；所述串联机器人完成其期望位姿的总用时，取其各关节实现其所述期望关节旋转角所 用时间的最大值；所述并联机器人完成其期望位姿的总用时，取其各关节实现其所述期望关节伸长量所 用时间的最大值；对所述的每一工作点处选出的所述双机器人合作方式，需判断其是否超出所述串并联 机器人联合加工系统的硬件容许能力；如未超出所述硬件容许能力，则接受此方式，如超出，则需返回所述目标函数的计算， 选择次优的合作方式，再次执行所述判断，直至选出在所述硬件容许能力范围内的可行合 作方式，作为所述当前工作点的合作方式。
10.根据权利要求5所述的串并联机器人联合加工系统的控制方法，其特征在于，所述 任务执行包括所述串联机器人执行其被分配的子任务和所述并联机器人执行其被分配的 子任务；所述串联机器人被分配的子任务的流程为各关节的所述驱动控制器驱动所述伺服电 机旋转，同时所述各光电编码器给出所述各伺服电机的当前实际旋转角度，使所述串联机 器人持续运动，直至所述光电编码器的值都达到所述各电机的期望旋转角——对应关节的 所述期望旋转角的值时，所述驱动控制器控制所述伺服电机停止旋转；所述并联机器人被分配的子任务的流程为各关节的所述驱动控制器驱动所述缸筒 的所述伸缩杆进行直线往复运动，同时所述各光电编码器给出所述各伸缩杆的当前实际直 线位移，使所述并联机器人持续运动，直至所述光电编码器的值都达到所述各伸缩杆的期 望伸长量——对应关节的所述期望伸长量的值时，所述驱动控制器控制所述伸缩杆停止运 动；所述每一当前工作点处，所述任务执行在所述任务分配完成后实施；所述每一当前工作点处的所述任务执行完成后，所述两机器人关节中的所述标定装置 记录所述两机器人在所述静坐标系中的当前实际位姿，并反馈给所述控制器；所述反馈在所述下一工作点进行所述两机器人期望位姿的推导时，作为相对的上一工 作点处所述两机器人的已知实际位姿使用。
全文摘要
本发明公开了一种串并联机器人联合加工系统及其控制方法，该系统包括串联机器人、并联机器人、控制器，还可以包括台架、待加工件和末端执行器，控制器采用分层控制的体系结构控制所述串联机器人和所述并联机器人，上层控制器进行任务分配和运动控制，下层串并联机器人进行硬件驱动和任务执行。本发明将系统硬件与软件方法结合，提高了加工的自动化程度、生产效率、承载能力和重复定位精度，增强了系统的灵活性适应性，能够在线实时控制，且具有一定的智能性。
文档编号B25J9/08GK101811301SQ200910236238
公开日2010年8月25日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者付永领, 彭朝琴, 王岩, 祁晓野, 罗婉琴 申请人:北京航空航天大学