CN105500147A - 基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，包括以下步骤：工控机根据工件模型生成离线路径，机器人根据离线路径对工件进行加工；力传感器实时采集机器人末端的力信息反馈至工控机，工控机根据力信息通过重力补偿得到反馈力；工控机将设定的力目标值与反馈力作差，并通过力控制器得到位置修正量；将位置修正量与机器人当前位置求和，并通过阻抗控制器得到控制量控制机器人加工的打磨作用力。本发明在打磨过程中消除了打磨工具本身重力对打磨作用力的干扰，从而保证检测及控制打磨加工作用力的精度；传感器测量精度高，机器人控制精度高，加工效果好。

Description

基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法

技术领域

本发明涉及一种基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，属于打磨加工领域，具体涉及基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法。

背景技术

大型透明件模具是透明件成型的关键工艺装备，为了达到透明件的光学性能指标，不仅要保证型腔的形状精度，而且对模具型腔表面质量提出了很高的要求。模具型腔的尺寸达到3.2×1.8×1.5m，其表面粗糙度要求达到Ra0.02um；如此大尺寸的型腔，如此高的表面粗糙度要求，人工打磨很难保证质量和工期。

因此，采用新的方法取代传统的人工打磨，以提高成型模具的精度和生产效率，是进一步提高透明件生产质量的关键所在。而机器人具有很好的柔性，可以实现多种不同位姿的加工；打磨抛光是一种少(无)切削量的加工，接触力很小，从而为开发以机器人为平台的自动打磨抛光系统提供了可能性，在机器人打磨过程中，需要对打磨工具与透明件模具之间保持相对稳定的作用力，以保证机器人打磨的精度与工艺的一致性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中机器人打磨系统中存在的打磨精度低、质量差、工艺一致性难以保持的问题，提出了基于在线实时负载重力补偿控制的机器人打磨方法。

本发明为实现上述目的，采用下述技术方案：基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，包括以下步骤：

工控机根据工件模型生成离线路径，机器人根据离线路径对工件进行加工；

力传感器实时采集机器人末端的力信息反馈至工控机，工控机根据力信息通过重力补偿得到反馈力；

工控机将设定的力目标值与反馈力作差，并通过力控制器得到位置修正量；

将位置修正量与机器人当前位置求和，并通过阻抗控制器得到控制量用于控制机器人加工的打磨作用力。

所述工控机根据力信息通过重力补偿得到反馈力：

$\left[\begin{array}{c}Fpx\\ Fpy\\ Fpz\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}Fx\\ Fy\\ Fz\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Gx\\ Gy\\ Gz\end{array}\right]$

其中，Fpx、Fpy、Fpz分别为力传感器测量的力在基座标系X、Y、Z轴上的力值；Fx、Fy、Fz分别为力传感器测量的力在力传感器座标系X、Y、Z轴上的力值；γ为世界坐标系绕力传感器座标系X轴的旋转角度，β为世界坐标系绕力传感器座标系Y轴的旋转角度，α为世界坐标系绕力传感器座标系Z轴的旋转角度；Gx、Gy、Gz分别为机器人末端在世界坐标系座标系X、Y、Z轴上的重力。

所述通过阻抗控制器得到控制量具体为

F＝K_pΔX+K_sΔX'+K_tΔX”

其中，F为打磨加工力信息即控制量，ΔX＝X-X_d，K_p、K_s和K_t分别为打磨工具的理想刚度、理想阻尼和理想惯量，X和X_d分别为机器人当前位置和位置修正量。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用离线路径规划与在线实时力控制相结合的方法，使机器人在离线路径的基础上进行在线力控制，能够显著提高龙门吊装机器人打磨系统的加工精度与加工效果。

(2)本发明便于使用，便于操作，在系统硬件连接完毕后，在工控机软件启动软件，连接好传感器和机器人后，点击开始加工，既可以控制机器人对工件进行加工。

(3)本发明在打磨过程中消除了打磨工具本身重力对打磨作用力的干扰，从而保证检测及控制打磨加工作用力的精度。

(4)本发明力传感器测量精度高，机器人控制精度高，加工效果好。

(5)本发明在工控机上提供可供操作人员监控及控制的操作界面，可以在加工过程中进行远程监控，及时掌握加工进度，并可以在加工过程中实时修改工艺参数，满足加工需求。

附图说明

图1为本发明的龙门吊装自动打磨设备布局图；

其中，1外部轴Y轴横梁，2外部轴X轴横梁A，3机器人手臂末端，4工作台，5外部轴X轴横梁B，6护罩；

图2为本发明的系统构成图；

图3为本发明的系统功能流程图；

图4为本发明的打磨工具图；

图5为本发明的打磨接触模型图；

图6为本发明的打磨工具重力在不同坐标系下转换图一；

图7为本发明的打磨工具重力在不同坐标系下转换图二；

图8为本发明基于阻抗的力外环控制图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

本发明针对现有技术中机器人打磨系统存在的打磨精度低、质量差、工艺一致性难以保持的问题，提出了基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，该方法能够完成对大型曲面模具的打磨加工。整个系统主要分为两个部分：一是离线路径规划部分，根据工件CAD模型，在工控机生成离线路径规划文件，导入机器人，使机器人按照理想文件模型对工件进行离线加工。二是在线实时力控制部分，在机器人打磨加工过程中，通过以太网建立工控机与机器人、力传感器的通信连接，力传感器实时采集打磨工具加工过程中所受到的作用力，将采集信息传输给工控机，工控机通过坐标变换以及重力补偿算法计算出打磨作用力大小，并根据相关控制策略将位姿控制信息传输到机器人，实现对打磨作用力的实时补偿功能，从而使整个打磨加工过程保持在一个相对恒定作用力范围之内。本发明的机器人打磨加工系统，具有较好的实时性，能够保证打磨加工的加工精度以及加工工艺的一致性。具有良好的通用性和扩展性。实验证明，基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工系统可对各种形状的自由曲面模具进行加工，并能达到良好的加工精度及加工质量。如图2～3所示。

如图1所示，本发明在KR30机器人外部加设了两个水平外部轴，可使机器人本体沿X/Y两向水平移动。加工时，这两个外部轴与机器人联动。为实现复杂曲面的加工，外部轴要与机器人本体轴联动，并具有可靠的性能和高精度。龙门吊装机器人的龙门架结构组成分为横梁部分和左右基座两个部分。

如图4～5所示，机器人末端装有安装法兰，安装法兰通过螺纹连接到力传感器的固定面一端，传感器的测力面一端连接打磨工具，打磨工具由气动马达、连接杆和打磨头组成；气动马达通过连接件与打磨头连接，气动马达的转轴与力传感器连接且与力传感器的X方向平行。打磨头为具有被动柔顺功能柔性海绵结构，并附有打磨砂纸。机器人控制系统中装有RSI实时通信传感器，可以与外部系统进行通信，具有收发数据功能。

机器人末端的力传感器为六维力传感器，可以测量力传感器坐标系下x、y、z三个方向的力与力矩。

工控机定时读取机器人信息与力传感器信息。对机器人信息与力传感器信息进行数据处理，得到工件表面打磨作用力信息：工控机读取机器人信息，从而确定机器人位姿变换矩阵；工控机读取力传感器信息，得到打磨工具在力传感器坐标系下的受力信息；工控机根据力传感器受力信息、力传感器到机器人末端的位姿关系矩阵、机器人位姿变换矩阵及打磨工具自身重力计算出工件表面的作用力信息。

工控机根据工件表面受力信息与设定作用力作比较，通过主被动柔顺控制策略，将控制信息发送给打磨工具末端，使打磨工具能够沿着工件表面的法矢方向上下移动，改变工件表面所受作用力大小，从而实现工件表面的力控制加工功能。

本发明基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，包括龙门架结构、吊装机器人、打磨工具、六维力传感器、工控机。通过以太网建立工控机与机器人、力传感器的通信连接，力传感器实时采集打磨工具加工过程中所受到的作用力，将采集信息传输给工控机，工控机通过坐标变换以及重力补偿算法计算出打磨作用力大小，并根据相关控制策略将位姿控制信息传输到机器人，实现对打磨作用力的实时补偿功能，从而使整个打磨加工过程保持在一个相对恒定作用力范围之内。

在打磨系统加工之前，首先将工件模型导入工控机的路径规划软件模块，根据加工工艺的具体要求，设置相应的工艺参数，如进给方向，打磨间距，打磨压力、加工倾角、采用间距等参数。在工件模型中生成需要的加工路径，并结合龙门吊装机器人的结构转化成机器人可接受的路径执行程序。将路径程序导入到机器人控制器，操作机器人对程序进行识别。

从力传感器坐标系{S}到工具坐标系{T}的力-力矩变化矩阵为：式中：

τ＝[FxFyFzMxMyMz](1)

${T_S^T}_f=\left[\begin{array}{cc}R_S^T& 0\\ {P_T}_{SORG}\×R_S^T& R_S^T\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，^Tτ_T为打磨工具在工具坐标系下受到的力和力矩，^Sτ_S为力传感器在力传感器坐标系下受到的力和力矩；Fx、Fy、Fz分别为X、Y、Z三个方向受到的力，Mx、My、Mz分别为X、Y、Z三个方向受到的力矩；^TP_SORG为工具坐标系到力传感器坐标系的位置关系，为工具坐标系到力传感器坐标系的旋转矩阵。为力传感器坐标系到工具坐标系的转换矩阵。

在X-Y-Z固定角坐标系下，任意坐标系{B}绕固定坐标系{A}的旋转矩阵为：

$R_B^A=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中γ绕X轴旋转，β绕Y轴旋转，α绕Z轴旋转。

六维力传感器力与力矩的关系为：

$\left[\begin{array}{c}Mx\\ My\\ Mz\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -z& y\\ z& 0& -x\\ -y& x& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Fx\\ Fy\\ Fz\end{array}\right]---\left(4\right)$

x、y、z分别为打磨工具在传感器坐标系的质心位置。

打磨工具负载重力在六维力传感器坐标系中随着机器人末端姿态的变化而改变。在机器人打磨控制系统中涉及到三个坐标系，如图6～7所示，机器人基坐标系(BASE)、机器人末端坐标系(END)、力传感器坐标系(SENSOR)。打磨工具重力在基坐标系中的表达式为^BF_G＝[00-G]，其中G为工件的重力。而末端力传感器为最直接感受到负载重力作用力的部件，其表达式为：

^SF_G＝[F_GXF_GYF_GZ](5)

^SF_G为打磨工具重力在分配到力传感器坐标系X、Y、Z轴的力；

他们之间的转换关系为：

${F_S}_G=R_E^S\·R_B^E\·{F_S}_G=R_B^S\·{F_B}_G---\left(6\right)$

其中为基坐标系到末端坐标系的旋转矩阵，为末端坐标系到力传感器坐标系的旋转矩阵，为基坐标系到力传感器坐标系的旋转矩阵；^BF_G为重力在基坐标系的受力信息；旋转矩阵由机器人本体可以确定，矩阵的标定由力传感器与机器人的末端安装方式来确定。在打磨加工过程中，我们通过将力传感器测量的数值转换到基础坐标系，消除重力对打磨加工的干扰就可以得到实际加工的打磨作用力：

${F_S}_p=F_S-{F_S}_G=F_S-{R_B^S}^B{F}_G---\left(7\right)$

即：

$\left[\begin{array}{c}Fpx\\ Fpy\\ Fpz\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}Fx\\ Fy\\ Fz\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Gx\\ Gy\\ Gz\end{array}\right]---\left(8\right)$

^SF_p为打磨作用力在力传感器坐标系下的作用力，^SF为重力与打磨作用力在力传感器坐标系的混合作用力；

本发明实现的主被动结构机器人力控制方案为基于阻抗内环的力外环控制策略，如图8所示。它是根据机器人末端的位置与打磨力之间的关系，通过调整位置误差来达到控制打磨作用力的目的。在机器人主被动柔顺控制中，本文采用二阶线性阻抗控制器建立打磨作用力与笛卡尔坐标系位置之间的关系:F＝K_pΔX+K_sΔX'+K_tΔX”,其中ΔX＝X-X_d，K_p，K_s和K_t分别为打磨工具的理想刚度、理想阻尼和理想惯量，X和X_d分别为实际位置和参考位置。在打磨加工过程中，机器人的运动进给速度较慢，速度变化较小，打磨工具质量不大，可以忽略阻尼项和惯性项的作用，即可以认为速度项ΔX′和加速度项ΔX″很小，忽略其对打磨作用力F的影响，即：p-K_pΔX，根据工件曲面材质特性，按照工艺要求给定打磨力F_d，在主被动柔顺控制系统中，通过力传感器跟踪反馈作用力F_s，补偿由于打磨工具导致的重力干扰，得到当前打磨作用力F，与给定力F_d比较，通过力控制器得到位置修正量ΔX_d，阻抗控制器执行修正后的位置命令X_d，从而实现基于主被动柔顺结构的阻抗内环力外环打磨力控制。

在龙门吊装机器人打磨系统投入运行前需要对机器人末端打磨工具进行标定，以确定打磨工具到机器人法兰末端的相对位置姿态关系。需要注意的是，沿着机器人法兰方向为法兰坐标系的Z方向，采用XYZ-4点法对打磨工具末端进行标定，步骤为：改变机器人末端打磨工具姿态，分别从四个不同的姿态移动到标准竖直定位对尖点，使第四个对尖姿态与竖直对尖点方向平行。通过XYZ-4点法可以确定打磨工具末端与法兰末端的空间位置关系。再利用ABC-6D世界坐标系法完成工具坐标系相对于法兰末端的姿态变化标定。使工具坐标系的轴平行于世界坐标系进行校准。机器人控制系统从而得知工具坐标系的姿态。将工具坐标系的+X轴调至平行于世界坐标是-Z的方向，+X为打磨工具的作业方向，将工具坐标系的+Y轴调至平行于世界坐标是+Y的方向，将工具坐标系的+Z轴调至平行于世界坐标是+X的方向，使用机器人示教盒完成以上操作并输入载荷数据，完成工具坐标系相对于法兰坐标系的姿态方向标定工作。

除了标定工具坐标系外，还要确定模具曲面的工装零点与机器人系统的世界坐标系的位置关系。采用基坐标测量表示根据世界坐标系在机器人周围的某一个位置上创建坐标系。其目的是使机器人的运动以及编程设定的位置均以该坐标系为参照。因此，设定的工装零点作为基准坐标系中合理的参照点。基坐标系的测量主要分为两个步骤：确定坐标原点、定义坐标系方向。测量过程中，首先确定基坐标系的原点位置，然后沿着自定义的方向手动移动TCP(工具中心点)确定工具坐标系的XYZ方向。当TCP无法移至基坐标原点时，例如，由于该点位于工件内部，或位于机器人工作空间之外时，须采用间接的方法。此时须移至基坐标的4个点，其坐标值已知(CAD数据)。机器人控制系统根据这些点计算基坐标。

打磨工具末端采用柔顺海绵结构，如图5所示，用来吸收外部环境变化所产生的作用力，避免刚性接触对模具曲面造成损坏。打磨模型是进行精密打磨的前提和基础，指定合理的材料去除模型可以准确的定量描述材料的去除。特别对于精抛阶段，更要结合抛光头的特点，建立相应的打磨去除模型。研磨抛光工具为气动研磨抛光头，在刚性研磨抛光头末端固联一块柔性海绵垫，形成主-被动柔顺控制结构。

在龙门吊装机器人系统加工运行时，先要保证打磨工具与曲面模具接触前，使六维力传感器连通，去除由传感器本身原因造成的零点偏移。然后在工控机操作界面上控制工控机与机器人进行通信，并将机器人信息显示到控制界面上。设置参考压力值、运行速度及其他控制参数。点击开始后，龙门吊装机器人在离线规划路径的基础上对曲面模具进行实时打磨力控制加工，并将曲面打磨压力实时显示到控制界面，以便于操作人员监控。

Claims (3)

1.基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，其特征在于包括以下步骤：

工控机根据工件模型生成离线路径，机器人根据离线路径对工件进行加工；

力传感器实时采集机器人末端的力信息反馈至工控机，工控机根据力信息通过重力补偿得到反馈力；

工控机将设定的力目标值与反馈力作差，并通过力控制器得到位置修正量；

将位置修正量与机器人当前位置求和，并通过阻抗控制器得到控制量用于控制机器人加工的打磨作用力。

2.按权利要求1所述的基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，其特征在于所述工控机根据力信息通过重力补偿得到反馈力：

$\left[\begin{array}{c}Fpx\\ Fpy\\ Fpz\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}Fx\\ Fy\\ Fz\end{array}\right]-\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Gx\\ Gy\\ Gz\end{array}\right]$

其中，Fpx、Fpy、Fpz分别为力传感器测量的力在基座标系X、Y、Z轴上的力值；Fx、Fy、Fz分别为力传感器测量的力在力传感器座标系X、Y、Z轴上的力值；γ为世界坐标系绕力传感器座标系X轴的旋转角度，β为世界坐标系绕力传感器座标系Y轴的旋转角度，α为世界坐标系绕力传感器座标系Z轴的旋转角度；Gx、Gy、Gz分别为机器人末端在世界坐标系座标系X、Y、Z轴上的重力。

3.按权利要求1所述的基于力控制的龙门吊装机器人打磨加工方法，其特征在于所述通过阻抗控制器得到控制量具体为

F＝K_pΔX+K_sΔX'+K_tΔX”

其中，F为打磨加工力信息即控制量，ΔX＝X-X_d，K_p、K_s和K_t分别为打磨工具的理想刚度、理想阻尼和理想惯量，X和X_d分别为机器人当前位置和位置修正量。