一种六自由度冲压机器人及其冲压方法技术

本发明专利技术提供一种六自由度冲压机器人及其冲压方法，包括以下步骤：拿取待冲压件，然后控制基座至第二机械臂进行运动，实时监测各个关节的运动参数，使末端执行器靠近冲压床；当第六关节处于冲压床的上模面和下模面之间时，控制设置超声波测距模块工作，构建超声波测距模型，判断第六关节是否期望安全点处；控制第三机械臂和末端执行器进行姿态调整运动，并再次开启超声波测距模块，最终控制末端执行器将待冲压件放入至下模组上并放料和等待冲压。本发明专利技术能够有效确定待冲压件是否到达准确位置而避免误操作，也可以避免超声波测距信号确定的不准确所导致的延时所带来的误操作，进一步提高了六自由度冲压机器人在人工智能化过程中的安全性。的安全性。的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种六自由度冲压机器人及其冲压方法


[0001]本专利技术属于机器人
，具体涉及一种六自由度冲压机器人及其冲压方法。

技术介绍

[0002]随着我国智能系统的不断进步和发展，在工业制造中已经逐渐采用机械手臂来满足工作环境多变的作业需求，具有智能感应下的多自由度机械臂的多自由度机器人将成为未来工业生产的重要劳动力。智能感应和多自由度机械臂系统的设计与实现，已成为我国工业制造业在世界生产制造业中取得核心竞争力的重要保障。冲压机器人可以实现冲压加工过程中的自动化送料、下料，再通过与冲压床进行配合，对冲压机器人送料至待冲压区域的待冲压件进行冲压加工，冲压机器人在生产过程中的自动化控制是实现自动下料上料的零部件生产工艺核心。因此在系统控制方案设计与实施时，要从现阶段生产线协调性出发，通过实现控制冲压机器人与冲压床功能之间的灵活协调性，以此来加大冲压机器人的自动化稳定控制，提升系统生产效率和大批量生产安全性。
[0003]现有技术中，如专利号为CN105665579B的中国专利公开了一种冲压控制系统及冲压方法，控制系统包括机械手和冲床，所述机械手末端用于夹取物料，所述冲床设有上模面和下模面，还包括用于控制所述机械手和冲床运行的控制系统，且所述控制系统，在所述机械手处于所述上模面和下模面之间时，控制所述机械手末端的上端面与所述上模面之间的实际距离大于或等于安全距离，所述安全距离介于所述上模面与下模面之间距离的1/3至1/5；所述控制系统，在所述机械手将物料放置于所述下模面的模腔上后并在冲床执行冲压操作前，控制所述冲床向所述下模面移动，并调整所述上模面的高度，使得所述机械手末端的上端面与所述上模面之间的实际距离等于所述安全距离。
[0004]但是其仅仅是公开了具体的控制系统的机械结构以及控制系统控制机械结构的具体参数，却没有对如何利用各个参数对控制系统精确控制冲压床与冲压机器人在工作时间上的协调以及如何确定其已经准确地达到了距离冲压床的上模面的安全距离处。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述缺陷，提供一种六自由度冲压机器人及其冲压方法。本专利技术能够先控制第一电机至第三电机进而控制基座、第一机械臂和第二机械臂进行将待冲压件靠近冲压床的运动轨迹优化，再通过能够准确判定振幅和相位达到稳定的超声波测距模块确定待冲压件分别到达冲压床上模面和下模面的期望安全点后，再进一步优化控制第四电机至第六电机控制第三机械臂和末端执行器进行姿态调整运动，并再次通过超声波测距模块确定末端执行器拿取的待冲压件已经放置在下模面的最优点等待冲压床的上模面对其冲压；本专利技术的六自由度机器人的冲压方法能够有效确定待冲压件是否到达准确位置而避免误操作，也可以避免超声波测距信号确定的不准确所导致的延时所带来的误操作，进一步提高了六自由度冲压机器人在人工智能化过程中的安全性。
[0006]本专利技术提供如下技术方案：一种六自由度冲压机器人的冲压方法，所述冲压方法
用于冲压坯料得到机械零部件，包括以下步骤：
[0007]S1：所述六自由度冲压机器人拿取待冲压件，然后控制所述六自由度冲压机器人的腰部、第一机械臂和第二机械臂进行运动，实时监测所述六自由度冲压机器人的各个关节的运动参数，使所述六自由度冲压机器人的第六关节带动待冲压件靠近所述冲压床；
[0008]S2：当所述第六关节带着待冲压件处于冲压床的上模面和下模面之间时，控制设置在所述第六关节上端面的超声波测距模块向冲压床的上模面和下模面发出超声波并接收反射回的超声波，构建超声波测距模型，判断所述第六关节是否处于所述冲压床的上模面和下模面之间的期望安全点处；
[0009]S3：当所述第六关节处于所述期望安全点处后，控制所述六自由度冲压机器人的第三机械臂和末端执行器进行姿态调整运动，并再次开启超声波测距模块，最终控制末端执行器将待冲压件放入至下模组上并放料，然后冲压床的上模面靠近所述下模面，完成一次待冲压件被所述六自由度冲压机器人取料并放置在冲压床上等待被冲压的过程。
[0010]作为本专利技术的进一步优选限定，所述S1步骤包括以下步骤：
[0011]S11：在所述S1步骤中的实时监测所述六自由度冲压机器人的各个关节的运动参数过程中，实时监测所述冲压机器人的基座与腰部连接的第一关节、腰部与第一机械臂连接的第二关节、第一机械臂与第二机械臂连接的第三关节、第二机械臂与第三机械臂连接的第四关节、第三机械臂与末端执行器连接的第五关节以及末端执行器与待冲压件连接的第六关节的实时运动参数，构建所述六自由度冲压机器人的齐次坐标矩阵：
[0012]q＝[q1q2q3q4q5q6]T
，
[0013]其中，q
i
表示第i个关节的实时笛卡尔角位移矢量，i＝1,2,3,4,5,6；
[0014]S12：计算各个关节的位姿变换矩阵：
[0015][0016]其中，a
i
为第i个关节的位姿变换矩阵，为绕z
i
轴旋转q
i
角度的第一旋转矩阵，为沿z
i
轴平移d
i
距离的第一位移变换矩阵，为沿x
i
轴平移a
i
距离的第二位移变换矩阵，为绕x
i
‑1轴旋转α
i
角度的第二旋转矩阵；q
i
为第i个关节的实时笛卡尔角位移矢量，即从x
i
‑1轴到x
i
轴关于z
i
轴的转角；d
i
为第i关节所对应的自身连杆的偏置距离，即从x
i
‑1轴到x
i
轴沿z
i
轴的距离；α
i
为第i关节所对应的自身连杆的扭角，即从z
i
‑1轴到z
i
轴关于x
i
‑1轴的转角；a
i
为第i关节所对应的自身连杆的长度，即从z
i
轴到z
i+1
轴沿x
i+1
轴的距离；
[0017]S13：根据所述S12步骤计算的各个关节的位姿变换矩阵，计算第六关节在所述六自由度冲压机器人所处的基础坐标系下的空间位置矩阵p0((6,Y6,Z6)：
[0018][0019]其中，为第六关节相对于基座所在基础坐标系内的位置((0,Y0,Z0)的空间位置转换矩阵，(6,Y6,Z6分别为第六关节在基础坐标系内的横坐标、纵坐标和竖坐标；I5×5为一个5
×
5的单位矩阵，05×1为一个5
×
1的零矩阵；
[0020]S14：构建所述六自由度冲压机器人的第一关节至第六关节的运动模型：
[0021][0022]其中，μ为所述六自由度冲压机器人的惯性参数，为第i个关节的实时笛卡尔角速度矢量，为第i个关节的实时笛卡尔角加速度矢量；τ
i
为第i个关节受到的所述六自由度冲压机器人所有输入的力所导致的力矩矢量，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种六自由度冲压机器人的冲压方法，所述六自由度冲压机器人的冲压方法用于冲压坯料得到机械零部件，其特征在于，包括以下步骤：S1：所述六自由度冲压机器人拿取待冲压件，然后控制所述六自由度冲压机器人的腰部(2)、第一机械臂(3)和第二机械臂(4)进行运动，实时监测所述六自由度冲压机器人的各个关节的运动参数，使所述六自由度冲压机器人的第六关节(61)带动待冲压件靠近冲压床；S2：当所述第六关节(61)带着待冲压件处于冲压床的上模面和下模面之间时，控制设置在所述第六关节(61)上端面的超声波测距模块(7)向冲压床的上模面和下模面发出超声波并接收反射回的超声波，构建超声波测距模型，判断所述第六关节(61)是否处于所述冲压床的上模面和下模面之间的期望安全点处；S3：当所述第六关节(61)处于所述期望安全点处后，控制所述六自由度冲压机器人的第三机械臂(5)和末端执行器(6)进行姿态调整运动，并再次开启超声波测距模块(7)，最终控制末端执行器(6)将待冲压件放入至下模组上并放料，然后冲压床的上模面靠近所述下模面，完成一次待冲压件被所述六自由度冲压机器人取料并放置在冲压床上等待被冲压的过程。2.根据权利要求1所述的一种六自由度冲压机器人的冲压方法，其特征在于，所述S1步骤包括以下步骤：S11：在所述S1步骤中的实时监测所述六自由度冲压机器人的各个关节的运动参数过程中，实时监测所述冲压机器人的基座(1)与腰部(2)连接的第一关节(11)、腰部(2)与第一机械臂(3)连接的第二关节(21)、第一机械臂(3)与第二机械臂(4)连接的第三关节(31)、第二机械臂(4)与第三机械臂(5)连接的第四关节(41)、第三机械臂(5)与末端执行器(6)连接的第五关节(51)以及末端执行器(6)与待冲压件连接的第六关节(61)的实时运动参数，构建所述六自由度冲压机器人的齐次坐标矩阵：q＝[q1q2q3q4q5q6]
T
，其中，q
i
表示第i个关节的实时笛卡尔角位移矢量，i＝1,2,3,4,5,6；S12：计算各个关节的位姿变换矩阵：其中，A
i
为第i个关节的位姿变换矩阵，为绕z
i
轴旋转q
i
角度的第一旋转矩阵，为沿z
i
轴平移d
i
距离的第一位移变换矩阵，为沿x
i
轴平移a
i
距离的第二位移变换矩阵，为绕x
i
‑1轴旋转α
i
角度的第二旋转矩阵；q
i
为第i个关节的实时笛卡尔角位移矢量，即从x
i
‑1轴到x
i
轴关于z
i
轴的转角；d
i
为第i关节所对应的自身连杆的偏置距离，即从x
i
‑1轴到x
i
轴沿z
i
轴的距离；α
i
为第i关节所对应的自身连杆的扭角，即从z
i
‑1轴到z
i
轴关于x
i
‑1轴的转角；a
i
为第i关节所对应的自身连杆的长度，即从z
i
轴到z
i+1
轴沿x
i+1
轴的距离；S13：根据所述S12步骤计算的各个关节的位姿变换矩阵，计算第六关节(61)在所述六自由度冲压机器人所处的基础坐标系下的空间位置矩阵p0(X6,Y6,Z6)：
其中，为第六关节(61)相对于基座(1)所在基础坐标系内的位置(X0,Y0,Z0)的空间位置转换矩阵，X6,Y6,Z6分别为第六关节(61)在基础坐标系内的横坐标、纵坐标和竖坐标；I5×5为一个5
×
5的单位矩阵，05×1为一个5
×
1的零矩阵；S14：构建所述六自由度冲压机器人的第一关节(11)至第六关节(61)的运动模型：其中，μ为所述六自由度冲压机器人的惯性参数，为第i个关节的实时笛卡尔角速度矢量，为第i个关节的实时笛卡尔角加速度矢量；τ
i
为第i个关节受到的所述六自由度冲压机器人所有输入的力所导致的力矩矢量，并定义τ＝[τ
1 τ
2 τ
3 τ
4 τ
5 τ6]
T
为所述六自由度冲压机器人的内部力矩矢量矩阵；M(q1,q2,q3,q4,q5,q6,μ)为带有惯性参数μ的所述六自由度冲压机器人的正定对称惯性矩阵，为带有惯性参数μ的所述六自由度冲压机器人的离心力和哥式力项矩阵，G(q1,q2,q3,q4,q5,q6,μ)为带有惯性参数μ的所述六自由度冲压机器人的重力项矩阵；S15：采用有限傅里叶变换表示第一关节(11)至第六关节(61)的实时笛卡尔角位移矢量q
i
(t)、实时笛卡尔角速度矢量和实时笛卡尔角加速度矢量采用最小二乘法优化所述六自由度冲压机器人的第一关节(11)至第六关节(61)的运动模型，进而优化所述六自由度冲压机器人的第一关节(11)至第六关节(61)靠近所述冲压床的运动轨迹，使所述六自由度冲压机器人以最小的误差按照期望的运动轨迹靠近所述冲压床。3.根据权利要求2所述的一种六自由度冲压机器人的冲压方法，其特征在于，所述六自由度冲压机器人的内部力矩矢量矩阵的计算公式如下：τ＝Φ
‑1·
Q，其中，Q为所述六自由度冲压机器人内部构件参数矩阵；Φ
‑1为所述六自由度冲压机器人笛卡尔矢量矩阵Φ的逆矩阵；所述六自由度冲压机器人内部构件参数矩阵Q如下：
，其中，m1为腰部(2)的质量，m2为第一机械臂(3)的质量，m3为第二机械臂(4)的质量，m4为第三机械臂(5)的质量，m5为末端执行器(6)的质量，m6为被拿取的待冲压件的质量；lc1为腰部(2)的质心至第一关节(11)所在基础坐标系内的坐标((1,Y1,Z1)的距离，lc2为第一机械臂(3)的质心至第二关节(21)所在基础坐标系内的坐标(X2,Y2,Z2)的距离，lc3为第二机械臂(4)的质心至第三关节(31)所在基础坐标系内的坐标((3,Y3,Z3)的距离，lc4为第三机械臂(5)的质心至第四关节(41)所在基础坐标系内的坐标(X4,Y4,Z4)的距离，lc5为末端执行器(6)的质心至第五关节(51)所在基础坐标系内的坐标(X5,Y5,Z5)的距离，lc6为被拿取的待冲压件的质心至第六关节(61)所在基础坐标系内的坐标(X6,Y6,Z6)的距离；为第一关节(11)沿其自身笛卡尔坐标系竖向z1轴所受到的惯性矩；为第二关节(21)沿其自身笛卡尔坐标系竖向z2轴所受到的惯性矩；为第三关节(31)沿其自身笛卡尔坐标系竖向z3轴所受到的惯性矩；第四关节(41)沿其自身笛卡尔坐标系竖向z4轴所受到的惯性矩；第五关节(51)沿其自身笛卡尔坐标系竖向z5轴所受到的惯性矩，第六关节(61)沿其自身笛卡尔坐标系竖向z6轴所受到的惯性矩；所述六自由度冲压机器人笛卡尔矢量矩阵Φ如下：4.根据权利要求2所述的一种六自由度冲压机器人的冲压方法，其特征在于，所述S15步骤中，采用有限傅里叶变换表示的所述六自由度冲压机器人的第一关节(11)至第六关节(61)的实时笛卡尔角位移矢量q
i
(t)、实时笛卡尔角速度矢量和实时笛卡尔角加速度矢量分别如下：分别如下：分别如下：其中，ω
f
为傅里叶级数的基本频率，进而各个关节产生的周期性响应的一个周期T
f
为
T
f
＝2π/ω
f
，ε
i,k
为第i个关节的角位移矢量傅里叶变换正弦系数，σ
i,k
为第i个关节的角位移矢量傅里叶变换余弦系数，k为有限傅里叶变换过程中的第k个周期，k＝1,2,
…
,N。5.根据权利要求2所述的一种六自由度冲压机器人的冲压方法，其特征在于，所述S15步骤中采用最小二乘法优化所述六自由度冲压机器人的第一关节(11)至第六关节(61)的运动模型，进而优化所述六自由度冲压机器人的第一关节(11)至第六关节(61)靠近所述冲压床的运动轨迹包括以下步骤：S151：构建所述第一关节(11)至第六关节(61)的实时最优轨迹模型：s.t
‑
170
°

【专利技术属性】
技术研发人员：张正峰，
申请(专利权)人：九众九机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：