机器人摆动功能开发

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1. 摆动模式

​ 针对某个运动路径，摆动从路径开始一直持续到路径结束，摆动开始点和结束点都位于原始路径上。若摆动是周期性偏离原始路径两侧的运动，则原始路径运动时间是半个摆动周期的整数倍。

​ 摆动形状和焊接速度密切相关，焊接运动速度越快，摆动频率越快（在摆动步长一定的情况下）。摆动形状和摆动步长、幅值也相关，如下图所示：

• 摆动步长：摆动一个周期内运动的长度

• 摆动幅值：摆动偏离原始轨迹的最大幅度（两侧幅值不一定相等）

  应结合机械臂的性能对摆动幅值进行限制

2. 摆动平面

在焊接过程中，针对 CP（连续轨迹）运动，需定义一个基于工具的运动坐标系TTS来描述工具末端相对于焊缝的摆动方向，如下：

• $X_{TTS}$: 路径的切线方向

• $Y{TTS}$: 路径的切线方向和工具方向 + $Z{TOOL}$的正交向量方向

• $Z{TTS}$: $X{TTS}$和$Y_{TTS}$的正交向量方向

注意：在焊接工艺中，路径切线方向和工具方向不能平行，否则TTS坐标系无法建立

​ 摆动平面的夹角指摆动轨迹（二维）相对于$X{TTS}$和$Y{TTS}$组成平面的夹角。该夹角的范围是(-$\pi$, $\pi$]，夹角为0时，摆动平面和TTS的XY平面重合。

①摆动平面夹角为0° ②摆动平面夹角为0°，但工具倾角（焊接工艺角）发生变化 ③摆动平面转动90° ④摆动平面转动180°

如果两个对接工件的厚度不一致，则摆动平面应该偏向更厚的那个工件，使得更多的热量传导到厚的工件上，如下图所示：

①摆动平面没有翻转 ②摆动平面翻转 α，使更多热量传导到厚板上

3. 摆动频率

摆动频率$f$对焊接质量有关键影响，主要取决于摆动步长$s$和焊接速度$v$。最大的摆动频率跟机械臂的动态特性有关（频率共振点和最大速度限制）。

摆动频率$f$[Hz]:= 焊接速度$v $× 1000 / (摆动步长$s $ × 60)

摆动步长$s$[mm]:= 焊接速度$v$ × 1000 / (摆动频率$f $ × 60)

摆动频率和摆动步长的参考值如下表所示：

①允许的区域 ②不建议的区域 ③禁止的区域

4.参数接口

在路径属性PathProperty的复杂曲线运动属性CurveProperty的sp属性中设置.

struct SuperimposedParameters
{
    bool        enable{false};          // 使能路径叠加功能(在运动路径的法平面内进行叠加)
    WeaveType   type;                   // 路径类型(针对焊接应用, 就是摆动类型,比如正弦,摆线)
    double      step;                   // 一个周期内在运动方向上移动的距离(摆动步长)
    Vector2d    amplitude;              // 一个周期内在运动叠加方向的最大幅值(不一定对称),当复用为摆线的幅值时,只用第一个元素
    Vector2d    holdDistance;           // 运动到最大幅值处保持的距离(不一定对称),当复用为摆线的宽度时,只用第一个元素
    double      angle;                  // 运动叠加方向与法平面的夹角,单位rad
    int         direction{0};           // 摆线起始摆动方向,0表示在路径方向上方,1表示在路径方向下方
}; // 叠加路径属性

enum WeaveType: int
{
    SINE        = 0,                   // 正弦波
    SPIRAL      = 1,                   // 摆线
    TRIANGLE    = 2,                   // 三角形
    TRAPEZOIDAL = 3,                   // 梯形
};// 摆动类型

其中，如果enable属性设置成true, 则表示使能路径叠加功能(摆焊).

5.调用示例

5.1 正弦波

ARAL::interface::PathProperty path_property;
path_property.describe_space = ARAL::interface::DescribeSpace::CARTESIAN;
path_property.curProp.type = ARAL::interface::Curvetype::LINE;
path_property.curProp.sp.enable = true;
path_property.curProp.sp.type = ARAL::interface::WeaveType::SINE;
path_property.curProp.sp.step = 0.01;
path_property.curProp.sp.amplitude = {0.005, 0.005};
path_property.curProp.sp.holdDistance = {0.0, 0.0};
path_property.curProp.sp.angle = 0.1;

5.2 摆线

ARAL::interface::PathProperty path_property;
path_property.describe_space = ARAL::interface::DescribeSpace::CARTESIAN;
path_property.curProp.type = ARAL::interface::Curvetype::LINE;
path_property.curProp.sp.enable = true;
property.curProp.sp.step = 0.03;
property.curProp.sp.type = ARAL::interface::WeaveType::SPIRAL;
property.curProp.sp.angle = 0.0;
property.curProp.sp.amplitude = {0.04,0.0};             //当复用为摆线的幅值时,只用第一个元素
property.curProp.sp.holdDistance = {0.03,0.0};            //当复用为摆线的宽度时,只用第一个元素
property.curProp.sp.direction = 0;                        //摆线起始摆动方向,0表示在路径方向上方,1表示在路径方向下方

6.其他说明

为了使焊缝更加均匀， 一般需要机器人在摆动到最大幅值处停留一段时间，如下图所示:

算法只开放路径几何属性，所以软件需要根据焊接速度将保持时间变成保持距离。

7. moveP说明

简介: moveP是一种曲线类型, 该曲线全部由直线组成, 然后直线和直线之间通过圆弧进行过渡连接. 本质是对直线和直线之间采用圆弧进行交融, 如下图所示:

示教说明: 如下图所示, 以直线L₁和直线L₂进行说明. 分别依次示教P₁, P₂, P₃. P₁姿态ori₁根据直线段L₁焊接需求设置, P₃姿态ori₃根据直线段L₂焊接需求设置, P₂姿态ori₂一般设置为姿态ori₁和姿态ori₃的中间姿态(不用十分精确). 基于用户设置的P₁和P₃的位姿, 直线段L₁的非交融部分将采用姿态ori₁进行运动, 直线段L₂的非交融部分将采用姿态ori₃进行运动, 而在交融段, 则会变姿态运动, 逐渐从姿态ori₁变化到姿态ori₃(姿态维度, 绕定轴转动, 算法内部处理)

交融说明: 对于路径属性里面的交融半径属性blend_radius{0, 0}, 因为moveP是采用圆弧交融, 所以一般要求L₁的右交融半径blend_radius[1]和L₂的左交融半径blend_radius[0]设置相等(若不相等, 则会取较小值). 同时, 算法内部会判断, 交融半径设置是否超过直线段总长度, 若超过总长度, 将采取整段交融, 如下图所示, L₂就被整段交融了

使用示例

interface::RLJntArray q0;
std::vector<interface::RLPose> poses;
interface::PathProperty path_property;
interface::MoveProperty move_property;
std::vector<interface::PathPoint> pathpoint;

// 示教点
q0 = {9.83416e-11,-0.261799,1.74533,0.436332,1.5708,9.83416e-11}; // 机器人初始关节角(可以理解为P1)
poses = {{0.39014856684,0.05938620560661992,0.2425688174534411,3.141587502980584,-2.059826008490965e-06,1.570819625791458},// P2
         {0.3901485668,-0.2597925548508536,0.2425688174534411,3.141587502980584,-2.059826008405779e-06,1.570819625791458}, // P3
         {0.683819584,-0.2650062410051318,0.2425688174534414,3.141587502980583,-2.05982600802568e-06,0.06872339964848129}}; // P4

// 设置运动属性和路径属性
move_property.maxV = {0.025,1};
move_property.maxA = {1.2, 1.2};
move_property.maxJ = {9.6, 9.6};
path_property.blend_radius = {0.02, 0.02};
path_property.describe_space = interface::DescribeSpace::CARTESIAN;
path_property.curProp.type = interface::CurveType::MOVEP; // 曲线类型选择moveP

// 添加路点
int N = poses.size();
pathpoint.resize(N);
for(int i = 0; i < N; i++)
    pathpoint[i] = generatePathPoint(interface::DescribeSpace::CARTESIAN, i, {}, poses[i]);
for(int i = 0; i < N; i++)
    robot->tpAddPositionLine(pathpoint[i], path_property, move_property);
robot->tpSetEndPath();