CN108972623B - 基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，建立机器人末端夹持工具的受力模型，用于分析机器人加工过程中由于机器人末端装夹误差所导致的工件加工精度偏差问题；在机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，实时监测加工过程中力控传感器的力数据信号，并根据受力模型计算装夹误差修正量；运用机器人运动学逆解模型，将装夹误差修正量转换为机器人各轴旋转角修正量；将计算结果输送至机器人控制器中，实现机器人末端装夹误差的自动修正。本发明通过将监测到的工具‑工件接触力信息转变成机器人各轴运动量信息，能够减小由于机器人末端装夹误差误差所带来的不良影响，提高机器人作业精度，操作简单，调整速度快。

Description

基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法。

背景技术

目前，工业机器人技术已广泛应用于汽车、船舶、轨道交通、航空航天等制造加工领域。实际加工过程中，由于机器人末端装夹误差、CAD模型误差等原因，易造成工具的母线不能总是垂直于待加工工件表面的法线，从而导致工具一端比另一端的受力大，加工完成后的零件表面出现深浅交替的纹路，严重时甚至会切去过多的材料，直接导致工件报废。为了避免上述不良影响，需在加工过程中对已经产生的工具母线与工件表面的夹角进行修正和补偿，提高工件加工质量。

目前修正装夹误差的方法主要有如下三种：1)借助扫描仪的点云匹配法；2)借助激光位移传感器的测距法；3)借助PLC与变频器的系统保护法。点云匹配法精度最高，误差补偿的效果最好，但是需要将整个工件进行扫描，计算量大、数据处理过程复杂，对于大型工件基本不可行；激光传感器测距法需要事先标定激光传感器，整个补偿过程线下完成，是静态过程；借助PLC与变频器的系统保护法是通过读取电机电流信号计算电机所受的外界阻力矩的过程，其核心仍然转化到了受力问题上，另外该方法对动平衡较为敏感。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，本发明通过将监测到的工具-工件接触力信息转变成机器人各轴运动量信息，能够减小由于机器人末端装夹误差误差所带来的不良影响，提高机器人作业精度，操作简单，调整速度快。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，包括步骤：

S10、建立机器人末端夹持工具的受力模型，用于分析机器人加工过程中由于机器人末端装夹误差所导致的工件加工精度偏差问题；

S20、在机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，实时监测加工过程中力控传感器的力数据信号，并根据受力模型计算装夹误差修正量；

S30、运用机器人运动学逆解模型，将装夹误差修正量转换为机器人各轴旋转角修正量；

S40、将计算结果输送至机器人控制器中，实现机器人末端装夹误差的自动修正。

在步骤S10中，机器人末端夹持工具为圆柱体形、工件表面为大型平面、工具用其旋转的圆柱面对固定的工件表面进行加工作业，机器人末端夹持工具的受力模型确定步骤为：

S101、确定机器人加工中工具-工件的实际接触面形状——理想情况下，工具-工件的接触面应该为圆柱面的一部分，但是由于机器人末端装夹误差，工具母线与工件表面不可避免地会产生一定的偏转角α；

S102、确定机器人加工中工具-工件的动态接触力大小——机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，工件的表面由于受到挤压产生弹塑性变形，产生一定的位移Δx，变形力和位移Δx遵循胡克定律，且对于给定的工件材料，弹性模量E为常量，转化为对应的弹性系数K即可计算出此点的接触力；

S103、建立数学模型求解工具母线与工件表面的偏转角α——运用数学方法，对接触面上所有点产生的接触反力进行合成，即得到合力F_合及力矩T，并存在如下函数关系：

其中，L表示工具母线与工件表面的理论接触长度；由于力控传感器直接测量获得合力F_合及力矩T，经过函数关系计算求得偏转角α，即为装夹误差修正量。

在步骤S20中，力控传感器能实时检测6维力信号，即X、Y、Z三个方向的力及其方向的力矩。

在步骤S30中，机器人无法根据受力模型计算的偏转角α实现误差修正，需要通过机器人运动学逆解模型将偏转角α转换成机器人各轴运动角度，机器人运动学逆解模型确定步骤为：

S301、根据D-H表示法建立相邻坐标系之间的关系，即：

X_i＝ⁱT_i+1·X_i+1

其中，X_i表示某点在第i轴坐标系下的坐标信息、X_i+1表示某点在第i+1轴坐标系下的坐标信息、ⁱT_i+1表示从第i+1轴坐标系到第i轴坐标系的变换矩阵，包括旋转信息和平移信息；

S302、机器人第一轴到第六轴的坐标系变换关系如下：

其中，⁰T₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵、L表示工具母线与工件表面的理论接触长度、⁰R₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系旋转变换矩阵、⁰P₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系平移变换矩阵、⁰T₁表示从第一轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵、¹T₂表示从第二轴坐标系到机器人第一轴坐标系变换矩阵、⁵T₆表示从第六轴坐标系到机器人第五轴坐标系变换矩阵；

S303、已知偏转角α和从第六轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵⁰T₆，可求得各轴旋转角修正量θ_i，此时，按计算所得的各轴旋转角修正量θ_i更正到机器人控制器中，即可修正机器人末端夹具装夹误差。

在步骤S40中，计算结果通过DeviceNet通讯协议输送到机器人控制器中，实现机器人末端装夹误差的自动修正。

本发明的有益效果是：

本发明从机器人加工精度偏差所产生的主要原因入手，通过将监测到的工具-工件接触力信息转变成机器人各轴运动量信息，自动补偿工具母线与工件待加工表面的夹角，能够减小由于机器人末端装夹误差误差所带来的不良影响，提高机器人作业精度，可广泛应用于机器人加工领域；本发明在建立了完整的数学模型的基础上，在机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，直接读取工具受力信息，实现自动修正的目的，操作简单，调整速度快。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的机器人加工中工具-工件存在偏转角的示意图。

图3是本发明中受力模型的几何关系图。

图4是本发明中机器人运动学逆解的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，包括步骤：

S10、建立机器人末端夹持工具的受力模型，用于分析机器人加工过程中由于机器人末端装夹误差所导致的工件加工精度偏差问题；

S20、在机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，实时监测加工过程中力控传感器的力数据信号(力控传感器可以实时检测6维力信号，即X、Y、Z三个方向的力及其方向的力矩)，并根据受力模型计算装夹误差修正量；

S30、运用机器人运动学逆解模型，将装夹误差修正量转换为机器人各轴旋转角修正量；

S40、将计算结果输送至机器人控制器中，实现机器人末端装夹误差的自动修正。

在步骤S10中，机器人末端夹持工具为圆柱体形(如，各类打磨滚轮)、工件表面为大型平面、工具用其旋转的圆柱面对固定的工件表面进行加工作业，机器人末端夹持工具的受力模型确定步骤为：

S101、确定机器人加工中工具-工件的实际接触面形状——理想情况下，工具-工件的接触面应该为圆柱面的一部分，但是由于机器人末端装夹误差，如图2，工具一侧的实际切削量小于设定值、另一侧实际切削量大于设定值，此实际接触面应该为工具圆柱面的一部分，因此，工具母线与工件表面不可避免地会产生一定的偏转角α；

S102、确定机器人加工中工具-工件的动态接触力大小——机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，工件的表面由于受到挤压产生弹塑性变形，产生一定的位移Δx，变形力和位移Δx遵循胡克定律，且对于给定的工件材料，弹性模量E为常量，转化为对应的弹性系数K即可计算出此点的接触力；

S103、建立数学模型求解工具母线与工件表面的偏转角α——如图3所示，对于实际加工形成的接触面，L为理论上工具母线与工件接触的长度，L′为合力F_合的作用点距离底端的距离，d为工具母线长度，R为工具半径，α为工具母线和工件表面的偏转角，Δx为工件表面某点的实际变形量，Δx_imax为某截面内工件表面的最大变形量，β_i为某截面内工件表面某点与最大变形量点出的夹角，对应的β_imax为某截面内工件表面临界变形点与最大变形量点处的夹角；运用数学方法，对接触面上所有点产生的接触反力进行合成，即得到合力F_合及力矩T，并存在如下关系：

定义工件材料的弹性系数为K，由图3a可见，截面形状为半径R的圆的一部分，圆上某点产生的分力F_i方向应指向圆心，大小为：

此截面上的合力F_i合方向为水平方向，大小即为：

由图3b几何关系可知：

Δx_imax＝l_i·tanα 公式(5)

其中，l_i为实际变形量Δx所对应的点距离力三角形顶点的距离。

另外，将F_i合母线方向求积分，即可得到接触面产生的总合力F_合，方向垂直工具母线方向指向工具，大小即：

重新整理上述公式(6)，得到：

由于此合力的作用点不在工具母线的中点，于是将产生一个力矩T，方向在图2中为顺时针，力矩T与合力作用点距离底端的距离L′之间有如下关系：

最后，实际接触长度L与合力作用点距离底端的距离L′之间有如下关系：

由于机器人装有6维力控传感器，因此F_合、T可以直接测量获得，而方程中仅含有理论上工具母线与工件接触的长度L、合力作用点距离底端的距离L′以及工具母线和工件表面的偏转角α，因此，可以联立公式(7)、公式(8)、公式(9)，经过计算求得α，即为待修正量。

在步骤S30中，机器人无法根据受力模型计算的偏转角α实现误差修正，需要通过机器人运动学逆解模型将偏转角α转换成机器人各轴运动角度(计算过程需在Matlab或其它专业软件中进行)，机器人运动学逆解模型确定步骤为：

S301、根据D-H表示法建立相邻坐标系之间的关系，即：

X_i＝ⁱT_i+1·X_i+1 公式(2)

其中，X_i表示某点在第i轴坐标系下的坐标信息、X_i+1表示某点在第i+1轴坐标系下的坐标信息、ⁱT_i+1表示从第i+1轴坐标系到第i轴坐标系的变换矩阵，包括旋转信息和平移信息；

S302、机器人第一轴到第六轴的坐标系变换关系如下：

其中，⁰T₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵、L表示工具母线与工件表面的理论接触长度、⁰R₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系旋转变换矩阵、⁰P₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系平移变换矩阵、⁰T₁表示从第一轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵、¹T₂表示从第二轴坐标系到机器人第一轴坐标系变换矩阵、⁵T₆表示从第六轴坐标系到机器人第五轴坐标系变换矩阵；

S303、已知偏转角α和从第六轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵⁰T₆，可求得各轴旋转角修正量θ_i，此时，按计算所得的各轴旋转角修正量θ_i更正到机器人控制器中，即可修正机器人末端夹具装夹误差。

在步骤S40中，计算结果通过DeviceNet通讯协议输送到机器人控制器中，实现机器人末端装夹误差的自动修正。

本发明从机器人加工精度偏差所产生的主要原因入手，通过将监测到的工具-工件接触力信息转变成机器人各轴运动量信息，自动补偿工具母线与工件待加工表面的夹角，能够减小由于机器人末端装夹误差所带来的不良影响，提高机器人作业精度，可广泛应用于机器人加工领域；本发明在建立了完整的数学模型的基础上，在机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，直接读取工具受力信息，实现自动修正的目的，操作简单，调整速度快。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，其特征在于：包括步骤，

S10、建立机器人末端夹持工具的受力模型，用于分析机器人加工过程中由于机器人末端装夹误差所导致的工件加工精度偏差问题；

S20、在机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，实时监测加工过程中力控传感器的力数据信号，并根据受力模型计算装夹误差修正量；

S30、运用机器人运动学逆解模型，将装夹误差修正量转换为机器人各轴旋转角修正量；

S40、将计算结果输送至机器人控制器中，实现机器人末端装夹误差的自动修正；

在步骤S10中，机器人末端夹持工具为圆柱体形、工件表面为大型平面、工具用其旋转的圆柱面对固定的工件表面进行加工作业，机器人末端夹持工具的受力模型确定步骤为，

S101、确定机器人加工中工具-工件的实际接触面形状——理想情况下，工具-工件的接触面应该为圆柱面的一部分，但是由于机器人末端装夹误差，工具母线与工件表面不可避免地会产生一定的偏转角α；

S102、确定机器人加工中工具-工件的动态接触力大小——机器人末端夹持工具与工件表面初始接触的动态过程中，工件的表面由于受到挤压产生弹塑性变形，产生一定的位移Δx，变形力和位移Δx遵循胡克定律，且对于给定的工件材料，弹性模量E为常量，转化为对应的弹性系数K即可计算出此点的接触力；

S103、建立数学模型求解工具母线与工件表面的偏转角α——运用数学方法，对接触面上所有点产生的接触反力进行合成，即得到合力F_合及力矩T，并存在如下函数关系：

其中，L表示工具母线与工件表面的理论接触长度；由于力控传感器直接测量获得合力F_合及力矩T，经过函数关系计算求得偏转角α，即为装夹误差修正量。

2.如权利要求1所述的基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，其特征在于：在步骤S20中，力控传感器能实时检测6维力信号，即X、Y、Z三个方向的力及其方向的力矩。

3.如权利要求1所述的基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，其特征在于：在步骤S30中，机器人无法根据受力模型计算的偏转角α实现误差修正，需要通过机器人运动学逆解模型将偏转角α转换成机器人各轴运动角度，机器人运动学逆解模型确定步骤为，

S301、根据D-H表示法建立相邻坐标系之间的关系，即：

X_i＝ⁱT_i+1·X_i+1

其中，X_i表示某点在第i轴坐标系下的坐标信息、X_i+1表示某点在第i+1轴坐标系下的坐标信息、ⁱT_i+1表示从第i+1轴坐标系到第i轴坐标系的变换矩阵，包括旋转信息和平移信息；

S302、机器人第一轴到第六轴的坐标系变换关系如下：

其中，⁰T₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵、L表示工具母线与工件表面的理论接触长度、⁰R₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系旋转变换矩阵、⁰P₆表示从第六轴坐标系到机器人基坐标系平移变换矩阵、⁰T₁表示从第一轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵、¹T₂表示从第二轴坐标系到机器人第一轴坐标系变换矩阵、⁵T₆表示从第六轴坐标系到机器人第五轴坐标系变换矩阵；

S303、已知偏转角α和从第六轴坐标系到机器人基坐标系变换矩阵⁰T₆，可求得各轴旋转角修正量θ_i，此时，按计算所得的各轴旋转角修正量θ_i更正到机器人控制器中，即可修正机器人末端夹具装夹误差。

4.如权利要求1所述的基于力控传感器的机器人末端装夹误差自动修正方法，其特征在于：在步骤S40中，计算结果通过DeviceNet通讯协议输送到机器人控制器中，实现机器人末端装夹误差的自动修正。

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