CN105751795B - 基于弹性元件的机器人雕刻方法 - Google Patents

Abstract

一种基于弹性元件的机器人雕刻方法。本发明在传统的雕刻机器人末端和雕刻工具之间加入一个弹性元件，可使雕刻机器人在雕刻过程中根据雕刻材质的不同，对弹性元件测得的力的结果通过力位混合控制算法改变末端铣刀切向的力和速度的大小，同时保持纵向位置方向的值的恒定，使其雕刻过程可以柔顺进行。可防止由于雕刻的物体硬度改变而使刀头或被雕刻物体的损坏，既影响了雕刻的进度和光滑性也使雕刻物精致度降低。同时可以根据硬度改变加工力和速度的大小，可以自动的调节铣刀进铣的力度和速度，使雕刻过程更加自动化。弹性元件相比传统的力传感器，价格低廉而且性能也足以满足本方法的要求，节约了成本。因此，该方法有很好的应用前景和经济效益。

Description

基于弹性元件的机器人雕刻方法

技术领域

本发明涉及机器人雕刻领域，是一种新型的雕刻方法。

背景技术

雕刻艺术文化是我国悠久历史文化的重要组成，以其艺术观赏性和物理特性在生活和建筑行业广泛使用。高质量的雕刻产品的需求量的增加为雕刻行业发展提供了广阔的空间。随着自动化的发展，雕刻机完成了从2D-2.5D-3D的发展。传统雕刻机由于自由度和工作空间的限制，最多只能完成2.5D的雕刻。由于刀具的轴线方向不能时刻垂直于制品表面，使径向力波动较大容易产生梯田效应，影响加工效果且增大刀具损耗。因此，出现了机器人雕刻技术。工业机器人具有自由度大，灵活性高的特点，机器人可以从法线方向进行雕刻，避免了梯田效应提高了雕刻效果。机器人三维雕刻技术已经成为了发展的趋势。

在目前的机器人雕刻技术中，由于初始设置的值是恒定的，在雕刻材料的材质发生变化时需要重新进行数值设定。不仅麻烦而且同一种材料也会出现材质不均匀的现象，不但会损坏刀头，更重要的是会对雕刻物产生一定的损坏，使雕刻出来的成品质量降低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的基于弹性元件的机器人雕刻方法，可以自动的在雕刻材质不均匀的的情况下改变进铣力的大小和速度。在保证雕刻精度的前提下，根据铣刀与雕刻物之间的力反馈值，通过力位混合控制算法，一方面可以改变切线方向实时改变铣刀的力和速度大小保证进铣的平滑，另一方面法线方向保持位置的值恒定，以达到精度雕刻的目的。

本发明的技术方案如下：

基于弹性元件的机器人雕刻方法，该方法的具体操作步骤是：

第一、在机器人末端和雕刻工具之间装置一个弹性元件，该弹性元件包括编码器(1)，连接杆(2)，弹性测量元件(3)，弹性测量元件前端固定连接杆，连接杆另一端固定编码器；与负载连接时，弹性测量元件里的扭簧受到力的作用发生形变，再通过连接杆在编码器上测得形变的角度；

第二、通过弹性元件反馈值(编码器上测得形变的角度)计算末端雕刻工具中铣刀受到的力的大小；

第三、在保证雕刻精度的前提下，根据弹性元件反馈值和期望值的比较，通过力位混合控制算法调整末端铣刀的力的大小和进铣的速度，从而根据不同的雕刻材质实时改变铣刀的力的大小和速度，实现雕刻的目的。

本发明方法采用弹性元件代替传统的力传感器装在机器人末端和刀具之间，实时采集力的数据。相比较传统的力传感器，既达到了测力的目的还节约了成本。通过弹性元件实时测得末端雕刻工具中的铣刀与雕刻物之间的力，通过力位混合控制算法调整末端铣刀的力的大小和进铣的速度，从而根据不同的雕刻材质实时改变铣刀的力的大小和速度，实现自动精致雕刻的目的。

该方法一方面保证在法线位控方向的深度，确保雕刻的精度，另一方面在切线力控方向进行实时控制，以确保雕刻过程可以柔顺进行。在末端和刀具之间通过监测力的变化，根据反馈的力与期望力之间的差距自动作出调整，改变机器人的铣削速率和铣削力，完成整个雕刻任务。

本发明的优点和有益效果：

本发明方法可以有效的根据雕刻材质的不同自动改变末端铣刀的力和速度的大小，从而有效的解决了材料质地不同对刀具的损坏和对雕刻物雕刻质量的影响。由于在实时根据反馈力的不同改变铣刀的力和速度的同时还可以保证雕刻深度的恒定，使雕刻工艺更加顺滑和精致，使其应用更加广泛获得更高的效益。

附图说明

图1弹性元件示意简图。

图2是用于雕刻的机器人系统简图。

图3是本方法中用到的力/位混合控制框图。

图4是仿真效果图。

具体实施方式

实施例

第一、在传统的雕刻机器人末端和雕刻工具之间加入一个弹性元件，该弹性元件包括编码器1，连接杆2，弹性测量元件3，弹性测量元件前端固定连接杆，连接杆另一端固定编码器；与负载连接时，弹性测量元件里的扭簧受到力的作用发生形变，再通过连接杆在编码器上测得形变的角度；

本实施例雕刻物体选用两种材质不同的复合材料，机器人末端和雕刻工具中间加入弹性元件，通过力/位混合控制算法实现对力的反馈值进行实时分析和处理，通过弹性元件测得的数据(编码器上测得形变的角度)可以得到末端受到的力的大小，通过算法进行分析处理并把处理的结果命令传送给机器人控制器从而改变末端铣刀的力和速度的大小。

图1为本发明采用的弹性元件示意图，1为编码器，2为连接杆，3为弹性测量元件，图2为用于雕刻的机器人，4弹性元件，图3为力/位混合控制算法框图。

当弹性元件检测到末端的力后，通过在力/位混合控制算法与期望的力进行对比从而确定是否需要改变进铣力的大小和进铣的速度，同时也保证法线雕刻深度方向的恒定性以提高雕刻精度，并把结果命令传递给机器人控制器。在没有达到期望力时，控制器会提高进铣力的大小和进铣速度，从而提高雕刻的效率。当材质变硬，末端受到的力超过期望的力时，控制器会根据力的差值减小进铣力的大小和进铣的速度，从而保护了铣刀，也使雕刻过程更加顺滑。

结合图1，图2和图3，本发明的具体方法如下：设K为扭簧弹性常数，即扭簧被扭转时每增加1°扭转角的负荷。通过编码器可以测得扭转的角度，从而可以得到末端的力。通过与期望值进行比较可以得到一个力的差值△F,通过选择矩阵S、雅克比矩阵J^T和一个PD控制器可以得到力控制产生的关节空间的力矩通过在控制器力对末端TCP点的位置查看，可以得到末端实际位置和期望位置的差值△x，通过选择矩阵雅克比矩阵J^-1和PD控制器可以得到位置方向的关节空间的力矩u_p＝(k_pp+sk_pd)J^T S△x。从而可以传递给机器人控制器位置和力方向上的命令，从而控制机器人末端进行相应的操作，即保持位置的恒定并根据雕刻材质自动改变进铣力。

为了证明本发法的可行性，以力/位混合控制为基础进行了相应的仿真实验。通过图4可以看出实际曲线和期望曲线之间的偏差越来越小，实际轨迹趋近于期望轨迹。也就说明，在雕刻过程中，根据材料硬度的不同，本方法可以及时的改变进铣力的大小。

Claims (1)

1.基于弹性元件的机器人雕刻方法，其特征在于，该方法的具体操作步骤是：

第一、在传统的雕刻机器人末端和雕刻工具之间加入一个弹性元件，该弹性元件包括编码器(1)，连接杆(2)，弹性测量元件(3)，与负载连接时，弹性测量元件里的扭簧受到力的作用发生形变，再通过连接杆在编码器上测得形变的角度；

第二、通过弹性元件反馈值计算末端雕刻工具中铣刀受到的力的大小；

第三、在保证雕刻精度的前提下，根据弹性元件反馈值和期望值的比较，通过力位混合控制算法调整末端铣刀的力的大小和进铣的速度，从而根据不同的雕刻材质实时改变铣刀的力的大小和速度，实现雕刻的目的。