CN107414860A - 一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，包括步骤：1）机器人运动路径生成的步骤，即将工件的打磨路径转化为机器人运动路径；2）机器人运动路径的避碰调整的步骤，即通过改变机器人打磨时运动路径上的各刀触点的位姿从而令机器人避免在加工过程中发生碰撞。本发明具有灵活实用的特点，将三维问题简化为碰撞图层中的可靠区域寻找优化曲线的二维问题，能有效地避免机器人在砂带打磨工件过程中发生碰撞，同时还能保证打磨精度和效率。

Description

一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法

技术领域

本发明涉及了一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，包括机器人运动路径生成方法与机器人运动路径的避碰调整方法，与作为执行装置的机器人与砂带机组成一个机器人砂带打磨系统。

背景技术

机器人砂带打磨能克服手工砂带打磨精度差、效率低的缺点，所以现已广泛地应用于工业生产。随着工件形状的日益复杂，机器人砂带打磨过程中很容易发生诸如工件与刀具、机器人与刀具的碰撞，所以研究用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法就很有必要。

发明内容

本发明提供了一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，包括机器人运动路径生成方法与机器人运动路径的避碰调整方法。其中机器人运动路径生成方法解决了将工件打磨路径转化为机器人运动路径的问题，机器人运动路径的避碰调整的方法解决了机器人打磨过程中可能发生碰撞的问题。本发明具有灵活实用的特点，能有效地避免机器人在砂带打磨工件过程中发生碰撞。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，包括步骤：

1)机器人运动路径生成的步骤，即将工件的打磨路径转化为机器人运动路径；

2)机器人运动路径的避碰调整的步骤，即通过改变机器人打磨时运动路径上的各刀触点的位姿从而令机器人避免在加工过程中发生碰撞。

进一步地，步骤1)中将工件的打磨路径转化为机器人运动路径的步骤具体为将打磨路径上的各刀触点映射到机器人运动路径上对应的路径点的位姿。

进一步地，所述将打磨路径上的各刀触点映射到机器人运动路径上对应的路径点的位姿的步骤具体包括：

11)为工件打磨路径上的每个刀触点添加坐标系，其轴与该点在工件表面处的单位外法向量相同；

12)确定所有刀触点坐标系{M}的相对于工具坐标系{Tool}的位姿

13)确定机器人工具坐标系{Tool}相对于基坐标系的位姿

14)在砂带上的某点处定义一个加工坐标系{M′}，其位姿用机器人的基坐标系{B}来描述，即当打磨路径上的刀触点坐标系{M}与{M′}重合时，即表示砂带加工到该刀触点；

15)计算机器人工具坐标系{Tool}相对于基坐标系{B}的位姿

16)根据机器人逆运动学解算法与即可求得机器人运动路径上各点的关节空间位姿θ＝[θ₁ θ₂ θ₃ θ₄ θ₅ θ₆]。

进一步地，步骤12)中，因采用机器人末端夹持工件的打磨方式，令机器人末端的工具坐标系{Tool}与工件坐标系{O}重合，则路径上的所有刀触点坐标系{M}均可以用{Tool}来描述位姿

进一步地，所述步骤15)具体包括：

由{M}＝{M′}得：

故：

其中：

进一步地，所述的步骤2)中改变机器人运动路径上的点的位姿的步骤是通过调整刀触点所对应的的值，进而改变避开产生碰撞的关节位姿，实现机器人运动路径无碰撞优化，具体包括步骤：

21)调整加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标系{B}的位姿包括沿接触轮转轴方向的平移调整和绕切线方向的旋转调整；

22)整合加工坐标系{M′}平移调整和旋转调整；

23)基于机器人砂带打磨仿真，建立碰撞图层；

24)在碰撞图层中求得依次经过所有刀触点的优化曲线，用该优化曲线来计算机器人运动路径上各点的位姿，即可实现机器人运动路径的避碰调整。

进一步地，所述沿接触轮转轴方向的平移调整具体包括步骤：

201)当机器人打磨到工件上某个刀触点前，先将初始加工坐标系{M_o′}沿接触轮的轴向平移距离a得到新的加工坐标系{M′}，接触轮的半径为R，砂带的宽度为W，则a的取值范围为[-W/2,W/2]；

202)求得初始加工坐标系{M_o′}、新的加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标系{B}的位姿分别为则有：

其中，为新的加工坐标系{M′}相对于初始加工坐标系{M_o′}的位姿；

203)计算的值：

当{M_o′}的X轴与接触轮的轴线平行时，则有：

当{M_o′}的Y轴与接触轮的轴线平行时，则有：

进一步地，所述绕切线方向的旋转调整具体包括步骤：

211)当由初始加工坐标系{M_o′}轴向平移到砂带边缘，得到坐标系{M_e′}，用砂带边缘加工打磨路径上的某刀触点前，将加工坐标系{M′}绕砂带在点M_e′处的切线旋转α角度得新的加工坐标系{M′}，α最大角度为A，最小的旋转角度为0；

212)求新的加工坐标系{M′}相对于初始加工坐标系{M_o′}的位姿矩阵

当{M_e′}的轴与切线共线且同向时，有：

当{M_e′}的轴与切线共线且同向时，有：

213)根据公式求新的加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标{B}的位姿矩阵

进一步地，所述的步骤22)具体包括步骤：

为加工坐标系{M′}建立一个坐标轴的直线部分表示{M′}轴向平移，圆弧部分表示{M′}绕切线旋转，所述坐标轴的直线部分与接触轮转轴平行且其中点为M_o′点，设加工坐标系{M′}从{M_o′}处开始在坐标轴上进行调整，调整的距离为d，当d＝0时，{M′}＝{M_o′}，当d∈[-W/2,W/2]时，{M′}为轴向平移，当d∈[-A-W/2,-W/2)或d∈[W/2,A+W/2)时，{M′}为绕轴旋转调整，设变量t，有公式：

若d∈[-W/2,W/2]，则将a＝t代入加工坐标系轴向平移的变换公式中计算矩阵否则将α＝t，a＝t/|t|·W/2代入式加工坐标系绕切线旋转的变换公式中计算矩阵

进一步地，所述步骤23)中，

所述碰撞图层的横坐标为工件打磨路径上的刀触点序号，纵坐标为加工坐标系{M′}在坐标轴上的位置d，图中的点的坐标为(n,d)表示第n个刀触点所对应的{M′}在上的位置d，两条横线d＝A+W/2和d＝-A-W/2之间的区域为可行区域，表示{M′}在上的调整范围，当点(n,d)落在碰撞区域时，{M′}在上的位置为d，此时机器人打磨第n个刀触点时会发生碰撞，其余区域为无碰撞区域。

相比现有技术，本发明具有灵活实用的特点，将三维问题简化为碰撞图层中的可靠区域寻找优化曲线的二维问题，能有效地避免机器人在砂带打磨工件过程中发生碰撞，同时还能保证打磨精度和效率。

附图说明

图1为工件的打磨路径转化成机器人的运动路径示意图。

图2为机器人砂带打磨的坐标系示意图。

图3a为砂带上加工坐标系所在位置示意图。

图3b为初始时刻加工坐标系所在位置示意图。

图4a为机器人打磨到工件上某个刀触点时，工件与刀具发生碰撞时的示意图。

图4b为将加工坐标系{M′}沿接触轮的轴的方向平移距离a后避免碰撞的示意图。

图5a为当初始加工坐标系{M_o′}的X轴与接触轮的轴线平行时的轴向平移的原理示意图。

图5b为当初始加工坐标系{M_o′}的Y轴与接触轮的轴线平行时的轴向平移的原理示意图。

图6a为加工坐标系轴向平移到砂带边缘加工时，工件与刀具发生碰撞示意图。

图6b为将加工坐标系{M′}沿旋转α角度后，再用砂带边缘加工工件避免碰撞时的示意图。

图7a为当{M_e′}的轴与切线共线且同向时的旋转调整的示意图。

图7b为当{M_e′}的轴与切线共线且同向时的旋转调整的示意图。

图8加工坐标系平移和旋转调整方法的整合后的示意图。

图9b为基于机器人砂带打磨仿真建立的碰撞图层及优化曲线示意图。

图9b为通过优化曲线计算机器人运动路径上各点的位姿示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，包括步骤：

1)机器人运动路径生成的步骤，即将工件的打磨路径转化为机器人运动路径；

2)机器人运动路径的避碰调整的步骤，即通过改变机器人打磨时运动路径上的各刀触点的位姿从而令机器人避免在加工过程中发生碰撞。

具体而言，步骤1)中将工件的打磨路径转化为机器人运动路径的步骤具体为将打磨路径上的各刀触点映射到机器人运动路径上对应的路径点的位姿。

具体而言，所述将打磨路径上的各刀触点映射到机器人运动路径上对应的路径点的位姿的步骤具体包括：

11)为工件打磨路径上的每个刀触点添加坐标系，其轴与该点在工件表面处的单位外法向量相同；另外，工件坐标系为{O}，打磨路径上第i个点的坐标系为{M_i}，则{M_i}相对于{O}的位姿为

12)确定所有刀触点坐标系{M}的相对于工具坐标系{Tool}的位姿因采用机器人末端夹持工件的打磨方式，令机器人末端的工具坐标系{Tool}与工件坐标系{O}重合，则路径上的所有刀触点坐标系{M}均可以用{Tool}来描述位姿

13)确定机器人工具坐标系{Tool}相对于基坐标系的位姿

14)在砂带上的某点处定义一个加工坐标系{M′}，其位姿用机器人的基坐标系{B}来描述，即当打磨路径上的刀触点坐标系{M}与{M′}重合时，即表示砂带加工到该刀触点(见图2)；

15)计算机器人工具坐标系{Tool}相对于基坐标系{B}的位姿由于工件的打磨路径已经生成并为每个刀触点添加了坐标系，即所有刀触点坐标系的位姿已经确定，为了确定机器人运动路径上各点的关节空间位姿，需要知道机器人工具坐标系相对于基坐标系的位姿具体为：由{M}＝{M′}得：

故：

其中：

16)根据机器人逆运动学解算法与即可求得机器人运动路径上各点的关节空间位姿θ＝[θ₁ θ₂ θ₃ θ₄ θ₅ θ₆]。

具体而言，所述的步骤2)中改变机器人运动路径上的点的位姿的步骤是通过调整刀触点所对应的的值，进而改变避开产生碰撞的关节位姿，实现机器人运动路径无碰撞优化，当机器人在砂带打磨过程中，发生了诸如工件与刀具、机器人与刀具之间的碰撞，此时需要对机器人运动路径进行调整以避开发生碰撞的机器人位姿。根据公式可知，当工件的打磨路径生成后，对于某个刀触点而言，是固定的，如果对其进行修改，则势必影响加工质量，而是可以改变的，其作用相当于改变砂带上的加工坐标系{M′}的位姿，用砂带的不同部分对刀触点作相同的加工，并不会过多地改变加工的质量。所以，当机器人在加工过程中发生碰撞时，可以通过调整该刀触点所对应的的值，进而改变在保证加工质量变化不大的前提下，避开产生碰撞的关节位姿，实现机器人运动路径无碰撞优化，具体包括步骤：

21)调整加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标系{B}的位姿包括沿接触轮转轴方向的平移调整和绕切线方向的旋转调整，加工坐标系{M′}位于砂带上，如附图3(a)所示；初始时刻，加工坐标系位于如附图3(b)所示的{M_o′}位置处(即砂带的中央)，其中{S}为砂带机的坐标系；

22)整合加工坐标系{M′}平移调整和旋转调整；

23)基于机器人砂带打磨仿真，建立碰撞图层；

24)在碰撞图层中求得依次经过所有刀触点的优化曲线，用该优化曲线来计算机器人运动路径上各点的位姿，即可实现机器人运动路径的避碰调整。

具体而言，关于所述沿接触轮转轴方向的平移调整，如附图4(a)所示，当机器人打磨到工件上某个刀触点(即附图4中的黄点)时，工件与刀具发生碰撞。如果先将加工坐标系{M′}沿接触轮的轴向(即轴的方向)平移距离a，然后再打磨该刀触点，则工件与刀具不会发生碰撞，如附图4(b)所示。从而实现无碰撞地加工该刀触点，具体包括步骤：

201)如图5所示，当机器人打磨到工件上某个刀触点前，先将初始加工坐标系{M_o′}沿接触轮的轴向平移距离a得到新的加工坐标系{M′}，接触轮的半径为R，砂带的宽度为W，则a的取值范围为[-W/2,W/2]，平移距离的正负方向见图5中箭头所示；

202)求得初始加工坐标系{M_o′}、新的加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标系{B}的位姿分别为则有：

其中，为新的加工坐标系{M′}相对于初始加工坐标系{Mo′}的位姿；

203)计算的值，分两种情况：

当{M_o′}的X轴与接触轮的轴线平行时，如图5a所示则有：

当{M_o′}的Y轴与接触轮的轴线平行时，如附图5b所示，则有：

具体而言，所述绕切线方向的旋转调整如图6所示，具体包括步骤：

211)当由初始加工坐标系{M_o′}轴向平移到砂带边缘，得到坐标系{M_e′}，由于工件形状的缘故，工件与刀具发生碰撞，因此用砂带边缘加工打磨路径上的某刀触点前，将加工坐标系{M′}绕砂带在点M_e′处的切线旋转α角度得新的加工坐标系{M′}，α最大角度为A，最小的旋转角度为0；

212)求新的加工坐标系{M′}相对于初始加工坐标系{M_o′}的位姿矩阵

当{M_e′}的轴与切线共线且同向时，有：

当{M_e′}的轴与切线共线且同向时，有：

213)根据公式求新的加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标{B}的位姿矩阵

如图6所示，当加工坐标系轴向平移到砂带边缘时，用砂带边缘加工打磨路径上的某刀触点，由于工件形状的缘故，工件与刀具发生碰撞，如果先将{M′}沿旋转α角度，再用砂带边缘加工该刀触点，如附图6b所示，则可实现无碰撞地加工该刀触点。

附图7是加工坐标系{M′}绕切线旋转调整的示意图，切线上的箭头表示切线的正向。只有当加工坐标系轴向平移到砂带边缘时才进行这种旋转调整，否则工件肯定会与刀具发生碰撞。当{M′}轴向平移到砂带边缘时，得到坐标系{M_e′}，如图7中所示的虚线坐标系；{M_e′}的或会与砂带在点M_e′处的切线共线且同向，{M_e′}绕切线旋转α角度得新的加工坐标系{M′}，{M_e′}在砂带的左边缘(见图7a)和右边缘(见图7b)的旋转方向是不同的，其旋转方向如附图7所示。

具体而言，如图8所示，所述的步骤22)具体包括步骤：

为加工坐标系{M′}建立一个坐标轴的直线部分表示{M′}轴向平移，圆弧部分表示{M′}绕切线旋转，所述坐标轴的直线部分与接触轮转轴平行且其中点为M_o′点，设加工坐标系{M′}从{M_o′}处开始在坐标轴上进行调整，调整的距离为d，当d＝0时，{M′}＝{M_o′}，当d∈[-W/2,W/2]时，{M′}为轴向平移，当d∈[-A-W/2,-W/2)或d∈[W/2,A+W/2)时，{M′}为绕轴旋转调整，设变量t，有公式：

若d∈[-W/2,W/2]，则将a＝t代入加工坐标系轴向平移的变换公式中计算矩阵否则将α＝t，a＝t/|t|·W/2代入式加工坐标系绕切线旋转的变换公式中计算矩阵

具体而言，所述步骤23)中，

如图9a所示，所述碰撞图层的横坐标为工件打磨路径上的刀触点序号，纵坐标为加工坐标系{M′}在坐标轴上的位置d，图中的点的坐标为(n,d)表示第n个刀触点所对应的{M′}在上的位置d，两条横线d＝A+W/2和d＝-A-W/2之间的区域为可行区域，表示{M′}在上的调整范围，当点(n,d)落在碰撞区域时，{M′}在上的位置为d，此时机器人打磨第n个刀触点时会发生碰撞，其余区域为无碰撞区域。

具体而言，所述步骤24)中，在碰撞图层中求得依次经过所有刀触点的优化曲线具体包括：

如附图9a所示，设有N个刀触点，在碰撞图层的可行区域中，从n＝1出发，寻找一条到达n＝N直线处的优化曲线，用该优化曲线来计算机器人运动路径上各点的位姿，即可实现机器人运动路径的避碰调整，如附图9b所示。

本实施例将加工坐标系的轴向平移调整与绕切线的旋转调整整合起来，在一条坐标系上进行统一表示，非常方便加工坐标系的调整计算。同时生成碰撞图层，将机器人运动路径的避碰调整这个三维问题转化为碰撞图层中的可靠区域寻找优化曲线的二维问题。大大地将问题简化。

以上实施例仅供说明本发明之用,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变型,因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴,应由各权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于，包括步骤：

1)机器人运动路径生成的步骤，即将工件的打磨路径转化为机器人运动路径；

2)机器人运动路径的避碰调整的步骤，即通过改变机器人打磨时运动路径上的各刀触点的位姿从而令机器人避免在加工过程中发生碰撞。

2.根据权利要求1所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于，步骤1)中将工件的打磨路径转化为机器人运动路径的步骤具体为将打磨路径上的各刀触点映射到机器人运动路径上对应的路径点的位姿。

3.根据权利要求2所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于：所述将打磨路径上的各刀触点映射到机器人运动路径上对应的路径点的位姿的步骤具体包括：

11)为工件打磨路径上的每个刀触点添加坐标系，其轴与该点在工件表面处的单位外法向量相同；

12)确定所有刀触点坐标系{M}的相对于工具坐标系{Tool}的位姿

13)确定机器人工具坐标系{Tool}相对于基坐标系的位姿

14)在砂带上的某点处定义一个加工坐标系{M′}，其位姿用机器人的基坐标系{B}来描述，即当打磨路径上的刀触点坐标系{M}与{M′}重合时，即表示砂带加工到该刀触点；

15)计算机器人工具坐标系{Tool}相对于基坐标系{B}的位姿

16)根据机器人逆运动学解算法与即可求得机器人运动路径上各点的关节空间位姿θ＝[θ₁ θ₂ θ₃ θ₄ θ₅ θ₆]。

4.根据权利要求1所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于，步骤12)中，因采用机器人末端夹持工件的打磨方式，令机器人末端的工具坐标系{Tool}与工件坐标系{O}重合，则路径上的所有刀触点坐标系{M}均可以用{Tool}来描述位姿。

5.根据权利要求1所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于，所述步骤15)具体包括：

由{M}＝{M′}得：

故：

其中：

6.根据权利要求1所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于，所述的步骤2)中改变机器人运动路径上的点的位姿的步骤是通过调整刀触点所对应的的值，进而改变避开产生碰撞的关节位姿，实现机器人运动路径无碰撞优化，具体包括步骤：

21)调整加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标系{B}的位姿包括沿接触轮转轴方向的平移调整和绕切线方向的旋转调整；

22)整合加工坐标系{M′}平移调整和旋转调整；

23)基于机器人砂带打磨仿真，建立碰撞图层；

24)在碰撞图层中求得依次经过所有刀触点的优化曲线，用该优化曲线来计算机器人运动路径上各点的位姿，即可实现机器人运动路径的避碰调整。

7.根据权利要求6所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于，所述沿接触轮转轴方向的平移调整具体包括步骤：

201)当机器人打磨到工件上某个刀触点前，先将初始加工坐标系{M_o′}沿接触轮的轴向平移距离a得到新的加工坐标系{M′}，接触轮的半径为R，砂带的宽度为W，则a的取值范围为[-W/2,W/2]；

202)求得初始加工坐标系{M_o′}、新的加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标系{B}的位姿分别为则有：

其中，为新的加工坐标系{M′}相对于初始加工坐标系{Mo′}的位姿；

203)计算的值：

当{M_o′}的X轴与接触轮的轴线平行时，则有：

当{M_o′}的Y轴与接触轮的轴线平行时，则有：

8.根据权利要求7所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于：所述绕切线方向的旋转调整具体包括步骤：

211)当由初始加工坐标系{M_o′}轴向平移到砂带边缘，得到坐标系{M_e′}，用砂带边缘加工打磨路径上的某刀触点前，将加工坐标系{M′}绕砂带在点M_e′处的切线旋转α角度得新的加工坐标系{M′}，α最大角度为A，最小的旋转角度为0；

212)求新的加工坐标系{M′}相对于初始加工坐标系{M_o′}的位姿矩阵

当{M_e′}的轴与切线共线且同向时，有：

当{M_e′}的轴与切线共线且同向时，有：

213)根据公式求新的加工坐标系{M′}相对于机器人基坐标{B}的位姿矩阵

9.根据权利要求8所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于：所述的步骤22)具体包括步骤：

为加工坐标系{M′}建立一个坐标轴 的直线部分表示{M′}轴向平移，圆弧部分表示{M′}绕切线旋转，所述坐标轴的直线部分与接触轮转轴平行且其中点为M_o′点，设加工坐标系{M′}从{M_o′}处开始在坐标轴上进行调整，调整的距离为d，当d＝0时，{M′}＝{M_o′}，当d∈[-W/2,W/2]时，{M′}为轴向平移，当d∈[-A-W/2,-W/2)或d∈[W/2,A+W/2)时，{M′}为绕轴旋转调整，设变量t，有公式：

若d∈[-W/2,W/2]，则将a＝t代入加工坐标系轴向平移的变换公式中计算矩阵否则将α＝t，a＝t/|t|·W/2代入式加工坐标系绕切线旋转的变换公式中计算矩阵

10.根据权利要求9所述的用于机器人砂带打磨的运动路径避碰调整方法，其特征在于，所述步骤23)中，

所述碰撞图层的横坐标为工件打磨路径上的刀触点序号，纵坐标为加工坐标系{M′}在坐标轴上的位置d，图中的点的坐标为(n,d)表示第n个刀触点所对应的{M′}在上的位置d，两条横线d＝A+W/2和d＝-A-W/2之间的区域为可行区域，表示{M′}在上的调整范围，当点(n,d)落在碰撞区域时，{M′}在上的位置为d，此时机器人打磨第n个刀触点时会发生碰撞，其余区域为无碰撞区域。