[发明专利]一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法

权利要求书

1.一种基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，示教摆动焊接路径起始点P_s和终止点P_e，得到位置和姿态信息；

步骤S2，将所述焊接路径点姿态描述转换成四元数表示；

步骤S3，计算起始点到终止点的姿态四元数变换Z_se；

在步骤S3中，计算焊接路径起始点P_s到终止点P_e的姿态四元数变换Z_se，包括：

假设点P_s和P_e的姿态四元数依次为Z_s、Z_e，姿态四元数变换为Z_se，则：

由单位矩阵的性质可知，单位矩阵的逆Z^-等于其共轭Z^*，则上式可进一步转换成下式：

其中，Z_e为：

则将上述Z_e和代入式(1)即可得姿态四元数变换Z_se：

步骤S4，计算姿态四元数变换Z_se的归一化常数N_const；

步骤S5，计算姿态四元数变换Z_se的变换角φ；

步骤S6，计算焊接路径P_s到P_e第i次中间插补点P_i的姿态信息；然后首先计算中间插补点P_i的姿态变化角再计算中间插补点P_i的姿态信息；

步骤S7，生成姿态插补点，判断是否为终点，如果是则插补结束，否则返回步骤S6；

步骤S8，结合焊接路径起始点到终止点的空间位置插补信息与步骤S7中的姿态插补信息，焊接机器人PLC控制器将中间插补点信息(x,y,z,α,β,γ)通过逆解解算模块转换成对应的关节角度信息，通过总线通讯的方式下发给机器人执行机构执行；其中，(x,y,z)为基于直角空间的位置矢量；(α,β,γ)为基于欧拉空间姿态矢量。

2.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，在所述步骤S1中，示教出焊接路径的起始点P_s和终止点P_e，获取基于机器人坐标系下的位置和姿态信息P(x,y,z,α,β,γ)；机器人位姿信息由基于直角空间的位置矢量(x,y,z)和基于欧拉空间姿态矢量(α,β,γ)共同描述。

3.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，在所述步骤S2中，

将焊接路径的起始点P_s和终止点P_e的姿态矢量转换到四元数空间，则可用单位四元数描述点的姿态Z＝[Z_w Z_x Z_y Z_z]^T，且欧拉角转换成四元数公式下所示：

4.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，所述计算姿态四元数变换归一化常数N_const，包括如下步骤：

假设由所求得姿态四元数变换Z_se为则姿态四元数变换归一化常数N_const可由下式表式：

5.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，在所述步骤S5中，计算姿态四元数变换Z_se变换角φ，包括如下步骤：

机器人姿态旋转变换既可由四元数描述，也可通过轴-角关系进行描述，即将四元数表示的姿态变换表示成由一个单位向量所定义的旋转轴旋转某一角度φ，由四元数与三维旋转之间关系可得变换角：

6.如权利要求1所述的基于PLC的焊接机器人摆焊姿态插补方法，其特征在于，所述计算焊接路径P_s到P_e姿态变化的中间插补点P_i，包括如下步骤：

对焊接路径起始点P_s到终止点P_e的姿态插值可转换成对姿态四元数变换Z_se变换角φ的插值；假设焊接路径位置的摆动插值次数为N，中间插补点为P_i；下面计算中间插补点P_i的信息：

a)假设第i次插补点相对焊接起始点的姿态变化角为则四元数姿态变换的第一个元素为：

b)结合姿态四元数变换Z_se的归一化常数，可得到中间计算变量κ：

c)中间插补点相对圆弧起始点的姿态变化四元数Z_si可由下式表示：

则中间插补点的姿态四元数Z_i为：

Z_i＝Z_si·Z_s

d)将中间插补点P_i的姿态四元数Z_i转换成欧拉角(RPY)，假设P_i的欧拉角为(α_i,β_i,γ_i)，则：

e)重复步骤a～d，直到计算完所有的中间插补点；最后一个插补点为摆动焊接终止点P_e。