机器人测试空间的获取方法、装置及机器人系统与流程

本发明实施例涉及机器人测试技术领域，特别涉及一种机器人测试空间的获取方法及获取系统。

背景技术：

目前的scara机器人性能测试普遍按照gb/t12642-2013工业机器人性能规范及其试验方法(以下简称规范)进行测试。但发明人发现，目前的性能测试方法是按照六轴机器人设定的测试流程，测试空间也是按照六轴机器人设定的空间范围，具体规范中的测试空间为立方体，但是如果对四轴机器人进行测试，按照国标上的性能测试空间及点位进行测试的话，规范上的性能测试空间并不适用于四轴机器人或其他类型的scara机器人。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种机器人测试空间的获取方法、装置、机器人系统，该方法通过计算机器人平面面积来获取其测试空间体积，进而得到测试点位坐标进行性能测试，适用于所有scara机器人。

为解决上述技术问题，本发明实施方式提供了一种机器人测试空间的获取方法，包括以下步骤：根据机器人的预设参数与预设的平面面积计算函数，计算机器人的平面面积；根据平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积；根据测试空间体积与预设的坐标系，获取机器人的测试空间的点位坐标。

本发明的实施方式还提供了一种机器人测试空间的获取装置，包括：计算模块，用于根据机器人的预设参数与预设的平面面积计算函数，计算机器人的平面面积；再根据平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积；获取模块，用于根据测试空间体积与预设的坐标系，获取机器人的测试空间的点位坐标。

本发明实施方式相对于现有技术而言，根据机器人的预设参数与预设的平面面积计算函数，计算机器人的平面面积；根据平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积；根据测试空间体积与预设的坐标系，获取机器人的测试空间的点位坐标，由此明确提出了一种通过计算scrar机器人性能测试空间及点位来进行机器人性能测试的方法，该方法通过计算机器人平面面积来获取其测试空间体积，进而得到测试点位坐标进行性能测试，该方法得到的测试空间体积不局限于立方体，也可以是长方体，因此本方法适用于所有scara机器人。

另外，预设参数包括：最大运动半径r、最小运动半径r1、机器人的最大臂长与初始水平轴的夹角α，预设的平面面积计算函数为q＝2rsinα(rcosα-r1)，其中，由此提供了平面面积的计算公式，利用此公式可计算出平面面积的最大值，使得平面面积利用率达到最大。

另外，根据平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积，具体包括：根据以下公式计算机器人的测试空间体积：v＝q*l，其中，q为平面面积计算函数，l为机器人的丝杆最大行程值，由此提供了测试空间体积的计算公式，利用此公式可计算出测试空间体积的最大值。当该测试空间体积达到该最大值时，该测试空间利用率也达到最大。

另外，将点位坐标写入点位表，调用点位表进行性能测试。在进行性能测试时，不需要使用繁琐的点位示教器，而是直接调用点位表即可，从而提升了性能测试效率。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据第一实施方式的机器人测试空间的获取方法的具体流程图；

图2-1是根据第一实施方式的机器人测试空间的获取方法的一种scara机器人的俯视图；

图2-2是根据第一实施方式的机器人测试空间的获取方法的一种scara机器人的侧视图；

图3是根据第一实施方式的机器人测试空间的获取方法的测试空间示意图；

图4是根据第一实施方式的机器人测试空间的获取方法的面积函数变化趋势图；

图5是根据第一实施方式的机器人测试空间的获取方法的测试空间及点位示意图；

图6是根据第三实施方式的机器人测试空间的获取方法的具体流程图；

图7是根据第四实施方式的一种机器人测试空间的获取装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的第一实施方式涉及一种机器人测试空间的获取方法，具体流程如图1所示，具体包括：

步骤1：根据机器人的预设参数与预设的平面面积计算函数，计算机器人的测试平面面积。

具体地说，如图2-1所示，scara机器人有3个旋转关节j1、j2和j4，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节j3，用于完成末端执行器在垂直于平面的运动。图2-2中，r表示机器人最大运动半径，r1表示机器人最小运动半径，最大臂长与初始水平轴的夹角为α。图2-2中的长方形为测试空间的顶面长方形，对应的测试空间如图3中所示，其xyz坐标系的xy轴与图2中的xy轴对应，其中，该测试空间的c1c4边与半径为r1的圆弧相切，该测试空间的高c1c5为机器人丝杆最大行程l。假设该测试空间的c1c2c3c4面积为q，可知

q＝|c1c4|×|c3c4|＝2rsinα(rcosα-r1)

其中，

也就是说，本发明实施例可以取该区间范围内任一数值的夹角α，获取该夹角对应的测试平面面积q，根据该夹角α的不同，该测试平面既可能是正方形，也可能是长方形。而在规范中，该测试平面已明确为正方形，如果按照规范中的规定，在对四轴机器人进行性能测试时，就只能按照规范中指定的正方形进行测试，却不能采用其他例如长方形测试面。因此，本实施例中的方案，测试平面根据该夹角α的不同而不同，适用于任何scara机器人。

步骤2：根据测试平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积。

假设该测试空间的体积为v，根据机器人丝杆最大行程l，可得测试空间体积的计算函数为：

v＝q*l＝2rlsinα(rcosα-r1)

步骤3：根据测试空间体积与预设的坐标系，获取机器人的测试空间的点位坐标。

获得测试空间体积之后，可将其顶点用c1～c8表示，如图3中所示，根据预设的xyz坐标系，可以得到其顶点c1～c8的坐标。再从测试空间体积内部挑选出下列四个选用平面之一，用以获取测试空间的点位坐标：

a)c1-c2-c7-c8

b)c2-c3-c8-c5

c)c3-c4-c5-c6

d)c4-c1-c6-c7

当然本发明实施例中的四个选用平面仅以举例说明，实际并不局限于此处四个面。本发明实施例以平面c1-c2-c7-c8为例进行说明，根据步骤2中获取的测试空间体积，便可以求得xyz坐标系中的c1～c8各个顶点坐标。如图5所示，根据规范选取选用平面上的五个测试点来获取相应的五个测试点位坐标，这五个测试点位于该选用平面的两条对角线上，其中第一测试点p1为两条对角线的交点，第二测试点p1至第五测试点p5分别离两条对角线的四个端点的距离等于对角线长度的10％，这五个测试点组成了本发明实施例中测试空间的测试平面，该测试平面即为机器人的测试轨迹所在的平面。根据各个顶点坐标，也就获取了五个测试点的点位坐标，例如p1(100，200，-30，30)，其中，数值100，200，-30对应p1点在xyz坐标系内的数值，30代表丝杆末端执行器的旋转角度。根据规范要求，当机器人在各个点位间运动时，所有关节均应运动。五个测试点仅为举例说明，实际测试中不限于五个测试点位。

在一个具体的应用场景中，scara机器人上电后，导入脚本控制语言运行，此时会弹出多个平面进行选择，可以根据不同场景来选用测试平面，确定平面后，测试点位就会自动生成并写入控制器点位表中，进行性能测试时，通过程序直接调用即可，然后机器人根据规范标准进行测试。

在另外一个具体的应用场景中，scara机器人上电后，导入脚本控制语言运行，系统按照测试程序自动计算获取机器人性能测试平面，自动生成测试点位坐标，并且自动按照相应规范进行性能测试，无需任何参数输入或其他指令输入。

测试程序可根据不同厂商的编程方式来编写，不受制于任何编程语言来实现。

本发明实施例明确提出了一种通过计算scrar机器人性能测试空间及点位来进行机器人性能测试的方法，该方法通过计算机器人测试平面面积来获取其测试空间体积，进而得到测试点位坐标进行性能测试，适用于所有scara机器人。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明的第二实施方式涉及一种测试空间的获取方法。第二实施方式在第一实施方式的基础上进行改进，主要改进之处在于：根据第一实施例得到平面面积计算函数，可知，当q取最大值时，该测试空间的体积v也就最大。本发明实施例可以通过对该测试空间的计算函数进行求导的方式，求得q的最大值，获取最大的测试空间体积，具体如下：

已知：

q＝2rsinα(rcosα-r1)，其中，且连续可导；

对计算函数进行一阶推导，可得一阶导数为：

q'＝2r²cos²a-2r²sin²a-2rr1cosa

得到一阶导数后，求q的驻点，具体可令q'＝0，即：

2r²cos²a-2r²sin²a-2rr1cosa＝0；

由该公式计算可得驻点由上文可知r＞r1，故驻点不满足上述条件。

所以驻点只存在一个对应

驻点又称为平稳点、稳定点或临界点，取得驻点处函数的一阶导数为零，即在这一点，函数的输出值停止增加或减少，因此驻点处的函数既可能输出最大值也可能是最小值。因为当一阶导数等于0，而二阶导数小于0时，函数取得最大值；为了判断此驻点是否取得最大值，需对计算函数进行二阶求导，来确定此时是否取得最大值：

对计算函数进行二阶推导，可得二阶导数为：q”＝-8r²sinacosa+2rr1sina，将驻点代入二阶导数中，得出q”<0。因此可得结论：当时，关于q＝2rsinα(rcosα-r1)的函数，取得最大值，也即是c1c2c3c4的面积最大。在一个具体的例子中，当r＝10,r1＝5时，如图4中可见，通过matlba或其他计算软件计算可得，当a取0.5712时，q达到最大面积36.8991。取q的最大面积，即最大有效平面面积，当丝杆行程l取最大时，此时所围成的有效运动区域的体积最大，该最大有效运动区域即是本发明实施例中所需的测试空间。该测试空间既可能是长方体，也可能是立方体。在具体的例子中，当适用于六轴机器人时，所得测试空间为立方体，当适用于四轴机器人时，所得测试空间为长方体。

本发明实施例通过对该平面面积计算函数进行求导的方式，获取机器人的平面面积的最大值，再通过丝杆最大有效行程，获取机器人最大的测试空间体积，使测试空间利用率达到最大，并且适用所有scara机器人，同时，工业机器人通常基于测试空间的点位进行精度校准，本发明实施例通过获取最大的测试空间，可以选择更大范围内的点位进行校准，从而有效提高了校准精度。

本发明的第三实施方式涉及一种测试空间的获取方法。第三实施方式在第二实施方式的基础上进行改进，主要改进之处在于：在本发明第三实施方式中，通过将点位坐标写入点位表，进行性能测试时，直接调用点位表即可。如图6所示，步骤301至步骤302与第一实施例中的步骤101至步骤103相同，在此不再赘述。本实施例中的步骤304，将点位坐标写入点位表，调用点位表进行性能测试。具体地说，点位坐标可根据预设的坐标系通过脚本程序自动生成后，将点位坐标写入到机器人控制系统的点位表中，系统可以通过程序直接调用该点位表。其中，点位表中包括测试空间的顶点坐标及上文中列举的至少五个测试点位坐标。

本实施方式中，通过将点位坐标写入点位表，进行性能测试时，不需要使用繁琐的点位示教器，直接调用点位表即可，从而提升性能测试效率。

本发明的第四实施方式涉及一种机器人测试空间的获取系统，如图7所示，获取系统包括：计算模块1，用于根据机器人的预设参数与预设的平面面积计算函数，计算机器人的测试平面面积；再根据测试平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积；获取模块2，用于根据测试空间体积与预设的坐标系，获取机器人的测试空间的点位坐标。

在一个例子中，预设参数包括：最大运动半径r、最小运动半径r1、机器人的最大臂长与初始水平轴的夹角α，预设的平面面积计算函数为q＝2rsinα(rcosα-r1)，其中，

由此提供了平面面积的计算公式，利用此公式可计算出平面面积的最大值，使得测试空间利用率达到最大，并且适用所有scara机器人。

在另一个例子中，根据测试平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积，具体包括：根据以下公式计算机器人的测试空间体积：v＝q*l，其中，q为平面面积计算函数，l为机器人的丝杆最大行程值。

在另一个例子中，根据测试空间体积与预设的坐标系，获取测试空间顶点坐标；根据顶点坐标，获取测试空间的选用平面及点位坐标，其中，选用平面由两两相对的四个顶点坐标围成，且经过测试空间的中心点。

本实施方式中，计算模块用于根据机器人的预设参数与预设的平面面积计算函数，计算机器人的平面面积；再根据平面面积与机器人的丝杆最大行程值，计算机器人的测试空间体积；获取模块用于根据测试空间体积与预设的坐标系，获取机器人的测试空间的点位坐标。本发明实施例明确提出了机器人测试空间的获取系统，该系统通过计算机器人手臂最大有效运行区域来获取测试空间，进而得到测试点位坐标进行性能测试，使得测试空间利用率达到最大，并且适用所有scara机器人。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第五实施方式涉及一种scara机器人系统，包括机器人机械系统、驱动系统和控制系统；控制系统发出指令，控制驱动系统动作，驱动系统带动机器人机械系统运动；其中，所述控制系统包括：存储器，与所述存储器通信连接的处理器：所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述处理器执行第一实施方式至第三实施方式中任一实施方式中的测试空间的获取方法。

其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本发明第六实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。