CN107009368A - 基于力传感器的机器人打磨作业控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于力传感器的机器人打磨作业控制系统，包括用于调整机器人当前运动矢量的PID控制器和执行机构；该执行机构包括：六自由度机械臂、用于检测机器人在打磨作业过程中刀具在三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向受到的压力和扭力的六维力传感器、柔性夹具、通过所述柔性夹具与六维力传感器相连的刀具和通过感知刀具与铸件的作用力状态并输出受力状态的二值信号至所述PID控制器的触觉开关传感器；所述六维力传感器安装在六自由度机械臂的末端，刀具与六维力传感器通过柔性夹具相连，触觉开关传感器安装在柔性夹具上且该触觉开关传感器与刀具相接触。与传统的人工控制打磨法不同，本发明根据六维力传感器和触觉开关传感器的信号矫正机器人运动，从而有效提高了打磨精度和效率。

Description

基于力传感器的机器人打磨作业控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人打磨作业控制方法，尤其涉及一种基于力传感器的机器人精确打磨作业控制方法。

背景技术

在现代机械制造技术中，金属铸造技术占有非常重要的地位。金属铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸件处理和检验是金属铸造过程中的关键步骤之一，铸件处理包括打磨铸件，清除铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物。

在传统金属铸造过程中，打磨铸件的工序主要通过技工使用锉刀、电动砂轮或控制遥操作机器人来完成，这个过程极其耗费人力且效率低下。此外，由于打磨工艺需要对铸件实施精确的力控制，传统打磨方法依靠技工经验操作，加工精度较差。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于力传感器的，可有效提高铸件打磨精度和效率的机器人打磨作业控制方法。

技术方案：本发明公开了一种基于力传感器的机器人打磨作业控制系统，包括：用于调整机器人当前运动矢量的PID控制器和执行机构；该执行机构包括：六自由度机械臂、用于检测机器人在打磨作业过程中刀具在三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向受到的压力和扭力的六维力传感器、柔性夹具、通过所述柔性夹具与六维力传感器相连的刀具和通过感知刀具与铸件的作用力状态并输出受力状态的二值信号至所述PID控制器的触觉开关传感器；该六维力传感器安装在六自由度机械臂的末端，刀具与六维力传感器通过柔性夹具相连，触觉开关传感器安装在柔性夹具上且该触觉开关传感器与刀具相接触。

进一步的，所述柔性夹具在三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向均具有柔性。

本发明还公开了一种基于力传感器的机器人打磨作业的控制方法，包括以下步骤：

A.根据铸件打磨要求输入机器人期望位移矢量和期望作用力矢量

B.根据六维力传感器得到的各轴方向上受到的压力、扭力及触觉开关传感器的输出信号，通过PID控制器调整机器人当前运动矢量实现机器人打磨。

进一步的，具体包括以下步骤：

a.输入机器人的期望位移和期望作用力至PID控制器；

b.通过六维力传感器和触觉开关传感器检测到机器人当前实际位移

c.计算机器人的期望位移与当前实际位移的差值

d.根据机器人的性能参数，通过PID控制器计算出机器人从当前实际位移移动到期望位移所需要的激励电信号

e.六维力传感器实时采集三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向受到的压力和扭力并输出原始信号该原始信号经滤波器处理后得到当前六维力传感器信号

f.计算期望作用力与当前六维力传感器信号的差值通过比例控制器输出对机器人的激励信号当铸件与刀具未接触时，触觉开关传感器输出信号为0，不参与机器人控制，此时机器人的控制信号当铸件与刀具充分接触时，触觉开关传感器输出信号为1，参与机器人控制，此时机器人的控制信号

g.机器人在上述控制信号u的作用下移动；

h.回到步骤2通过六维力传感器和触觉开关传感器检测到的机器人重新实时监测当前实际位移并将数据反馈到控制系统中，构成反馈回路，根据机器人运动的期望位移和期望作用力不断调整机器人的当前位移实现打磨作业。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

首先，本发明实现通过六维力传感器信号引导机器人移动刀具，并以适当的切削力对铸件进行打磨，使打磨作业不再仅仅依靠技工的操作经验进行，有效提升了打磨作业的效率和精度，使批量生产铸件在性能上具有更好的一致性；

其次，本发明是通过六维力传感器感知打磨过程中的作用力，操作者可远离铸件对机器人进行遥操作控制，有效避免了打磨作业过程中产生的金属碎屑对操作者造成危害。

附图说明

图1为本发明控制系统的结构示意图；其中：1.六自由度机械臂；2.六维力传感器；3.柔性夹具；4.触觉开关传感器；5.刀具；6.工作台；7.铸件；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示的一种基于力传感器的机器人打磨作业控制系统，其执行机构包括：六自由度机械臂1、六维力传感器2、柔性夹具3、触觉开关传感器4和刀具5。该六维力传感器2安装在六自由度机械臂1的末端，刀具5与六维力传感器2通过柔性夹具3连接，触觉开关传感器4安装在柔性夹具3上，并与刀具5接触，其中，该六维力传感器2用于检测机器人在进行打磨作业过程中刀具5在三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向受到的压力和扭力，柔性夹具3在三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向均有一定柔性，用于连接刀具与六维力传感器，触觉开关传感器4通过感知刀具5与铸件的作用力状态并输出受力状态的二值信号，用于确定力传感器输出信息只有在刀具5与铸件接触状态下才参与机器人的打磨作业控制。

工作过程：如图2所示，本发明根据铸件打磨要求输入机器人期望位移矢量和期望作用力矢量根据本发明的系统流程图六维力传感器各轴的压力、扭力及触觉开关传感器的输出信号，通过PID控制器调整机器人当前运动矢量从而实现机器人的精确打磨。

具体地讲：机器人打磨作业主要通过控制两个参数来完成，即机器人的期望位移和刀具的期望作用力设某一时刻机器人的期望位移为期望作用力为机器人运动传感器检测到的机器人当前实际位移为此时机器人期望位移与实际位移的差值为再根据实际机器人的性能参数，通过PID控制器即可计算出机器人从当前位移移动到期望位移所需要的激励电信号同时，机器人上的六维力传感器会实时采集三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向受到的压力和扭力，六维力传感器输出的原始信号中夹杂着一定强度的白噪声，经滤波器处理后得到当前力传感器信号此时期望作用力与实际作用力的差值为通过比例控制器输出对机器人的激励信号 的最终是否参与机器人控制取决于触觉开关传感器输出的二值信号：当铸件与刀具未接触时，触觉开关传感器输出信号为0，不参与机器人控制，此时机器人的控制信号当铸件与刀具充分接触时，触觉开关传感器输出信号为1，参与机器人控制，此时机器人的控制信号最终，机器人在控制信号u的作用下移动。同时，机器人运动传感器将实时监测机器人的当前位移并将数据反馈到控制系统中，构成反馈回路。重复上述步骤，系统即可根据机器人运动的期望位移和期望作用力不断调整机器人的当前位移从而实现了精确打磨作业。

Claims (4)

1.一种基于力传感器的机器人打磨作业控制系统，其特征在于：包括：用于调整机器人当前运动矢量的PID控制器和执行机构；

所述执行机构包括：六自由度机械臂、

用于检测机器人在打磨作业过程中刀具在三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向受到的压力和扭力的六维力传感器、

柔性夹具、

通过所述柔性夹具与六维力传感器相连的刀具和

通过感知刀具与铸件的作用力状态并输出受力状态的二值信号至所述PID控制器的触觉开关传感器；

所述六维力传感器安装在六自由度机械臂的末端，刀具与六维力传感器通过柔性夹具相连，触觉开关传感器安装在柔性夹具上且该触觉开关传感器与刀具相接触。

2.根据权利要求1所述的一种基于力传感器的机器人打磨作业控制系统，其特征在于：所述柔性夹具在三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向均具有柔性。

3.基于权利要求1或2所述的一种基于力传感器的机器人打磨作业控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.根据铸件打磨要求输入机器人期望位移矢量和期望作用力矢量

B.根据六维力传感器得到的各轴方向上受到的压力、扭力及触觉开关传感器的输出信号，通过PID控制器调整机器人当前运动矢量实现机器人打磨。

4.根据权利要求3所述的一种基于力传感器的机器人打磨作业控制系统的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

a.输入机器人的期望位移和期望作用力至PID控制器；

b.通过六维力传感器和触觉开关传感器检测到机器人当前实际位移

c.计算机器人的期望位移与当前实际位移的差值

d.根据机器人的性能参数，通过PID控制器计算出机器人从当前实际位移移动到期望位移所需要的激励电信号

e.六维力传感器实时采集三维空间坐标系上X、Y、Z轴方向受到的压力和扭力并输出原始信号该原始信号经滤波器处理后得到当前六维力传感器信号

f.计算期望作用力与当前六维力传感器信号的差值 通过比例控制器输出对机器人的激励信号的最终是否参与当铸件与刀具未接触时，触觉开关传感器输出信号为0，不参与机器人控制，此时机器人的控制信号当铸件与刀具充分接触时，触觉开关传感器输出信号为1，参与机器人控制，此时机器人的控制信号

g.机器人在上述控制信号u的作用下移动；

h.回到步骤2通过六维力传感器和触觉开关传感器检测到的机器人重新实时监测当前实际位移并将数据反馈到控制系统中，构成反馈回路，根据机器人运动的期望位移和期望作用力不断调整机器人的当前位移实现打磨作业。