CN110394802B - 一种打磨机器人及位置补偿方法 - Google Patents

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CN110394802B CN201910720367.3A CN201910720367A CN110394802B CN 110394802 B CN110394802 B CN 110394802B CN 201910720367 A CN201910720367 A CN 201910720367A CN 110394802 B CN110394802 B CN 110394802B
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Abstract

本发明公开了一种打磨机器人及位置补偿方法。所述打磨机器人包括：机械臂、多维力传感器、打磨工具以及控制装置。本申请所述的打磨机器人通过控制装置对打磨工具的受力信息的补偿来实现工件的法向贴合和恒力打磨，并且不需要对工件进行测量和建模，也不需要视觉系统，从而节省成本且提高了打磨效率。

Description

一种打磨机器人及位置补偿方法
技术领域
本发明涉及机器人加工领域，特别涉及一种打磨机器人，以及一种打磨机器人的位置补偿方法。
背景技术
传统打磨设备及机器人的优势在于其普及性，已经被国内众多工厂所采用过，操作流程固定，便于工人使用。不足之处在于功能固化，专机专用，功能局限，一台产品只能进行一种加工，代价高昂，且对可加工工件有要求，不适用于对差异性较大和结构复杂的工件加工，同时没有有效的保护措施，容易伤人。
无视觉的建模式打磨机器人，能够较好的完成对复杂结构的工件重复性加工。缺点是重复作业时对待加工工件的一致性要求很高，如果更换打磨工件，需要重新测量、建模和设计打磨轨迹，变工艺复杂，需要专业的工作人员配合编程，时耗和成本较大。
基于离线视觉的打磨机器人，能够基于视觉建模，替代测量的步骤，然后对不同的工件加工。基于实时视觉的打磨机器人，能够基于视觉实时的校正轨迹，打磨过程智能化，适合对精度要求较高的产品进行加工，同时能够较快适应对不同的对象加工，使用灵活。两者的不足之处是其对光学环境的要求将其限制在了特定的工作场景，同时需要根据工艺要求配备工业相机和配套的视觉算法，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了打磨机器人及位置补偿方法，在不需要对待打磨工件进行测量和建模的条件下，实现应用于各类打磨场景中对打磨工件进行高精度的力控制打磨作业，并能在一定弧度范围内自主贴合曲面进行打磨。
本申请的一个实施例提供了一种打磨机器人，包括：
机械臂，所述机械臂包含若干个关节模组、并在末端装设有末端执行器；
多维力传感器，所述多维力传感器装设于所述末端执行器；
打磨工具，所述打磨工具装设于所述多维力传感器；
控制装置，所述控制装置用于接收所述多维力传感器在所述打磨工具对工件实施打磨操作期间感测到的受力信息，并根据所述受力信息控制所述关节模组的位移以对所述末端执行器的运动轨迹施加位置补偿，所述位置补偿具有使所述打磨工具的受力信息趋向于期望受力状态的补偿趋势。
可选地，所述控制装置以阻抗控制方式控制所述末端执行器的法向方向上的位置趋势、并以导纳控制方式控制所述末端执行器的切向方向上的位置趋势。
可选地，所述控制装置进一步利用导纳控制方式对所述末端执行器的末端目标位置进行位置补偿以响应于所述末端执行器的外界拖拽力。
可选地，所述控制装置在末端拖动模式下形成所述末端执行器在工件表面内的运动轨迹。
可选地，所述控制装置将所述末端执行器的切向方向上的位置趋势分解为所述关节模组的位移分量、并分别对所述关节模组的所述位移分量实施位置补偿。
可选地，所述机械臂的每个关节模组包含伺服电机和编码器，其中：
所述编码器将所述关节模组的关节位置数据反馈到所述控制装置；
所述控制装置根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算所述关节模组的关节目标位置、并根据所述关节模组的关节目标位置以及关节位置数据分别计算所述关节模组的驱动电流；
所述伺服电机根据控制装置确定的驱动电流来控制所述关节模组的位移分量。
可选地，所述控制装置包括并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元，其中：
所述PID控制单元用于根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；
所述虚拟分解控制单元用于根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第二驱动电流；
并且，所述PID控制单元和所述虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。
可选地，所述虚拟分解控制单元进一步用于对所述机械臂进行动力学补偿。
可选地，所述动力学补偿包括对所述机械臂的动态力的补偿，其中，所述动态力包括惯性力、旋转引起的陀螺效应、负载重力，机械臂本体重力。
本申请另一个实施例提供了一种打磨机器人的位置补偿方法，所述机械臂包含若干个关节模组、并在末端装设有末端执行器，所述末端执行器装设有多维力传感器，并且所述位置补偿方法包括：
S110、接收所述多维力传感器在所述打磨工具对工件实施打磨操作期间感测到的受力信息；
S120、根据所述受力信息控制所述关节模组的位移以对所述末端执行器的运动轨迹施加位置补偿，所述位置补偿具有使所述打磨工具的受力信息趋向于期望受力状态的补偿趋势。
从而，本申请所述的打磨机器人通过控制装置对打磨工具的受力信息的补偿来实现工件的法向贴合和恒力打磨，并且不需要对工件进行测量和建模，也不需要视觉系统，从而节省成本且提高了打磨效率。
附图说明
以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
图1为本申请一个实施例中打磨机器人的结构示意图；
图2为本申请一个实施例中的阻抗控制方式的原理流程图；
图3为本申请一个实施例中的PID控制单元和虚拟分解控制单元的原理流程图；
图4为本申请一个实施例中的导纳控制方式的原理流程图；
图5为本申请另一个实施例中的打磨机器人的位置补偿方法。
标号说明
100 机械臂
110 关节模组
111 编码器
112 伺服电机
120 末端执行器
121 多维力传感器
122 打磨工具
130 控制装置
140 工件
具体实施方式
为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。
在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
图1为本申请一个实施例中打磨机器人的结构示意图。
请参见图1，本申请的一个实施例提供了一种打磨机器人，包括：机械臂100、多维力传感器121、打磨工具122以及控制装置130。
其中，机械臂100包含若干个关节模组110、并在末端装设有末端执行器120；多维力传感器121装设于末端执行器120；打磨工具122装设于多维力传感器121；控制装置130用于接收多维力传感器121在打磨工具122对工件140实施打磨操作期间感测到的受力信息，并根据受力信息控制关节模组110的位移以对末端执行器120的运动轨迹施加位置补偿，位置补偿具有使打磨工具122的受力信息趋向于期望受力状态的补偿趋势。
其中，期望受力是控制装置130对各关节模组110受力信息的预估值。
请参见图2并结合图1，控制装置130以阻抗控制方式控制末端执行器120的法向方向上的位置趋势。
其中，法向方向为垂直于打磨工具122与工件140接触面的方向，切向方向为平行于打磨工具122与工件140接触面的方向。
控制装置130基于多维力传感器121感测到的打磨工具122的受力信息，并通过预设的打磨过程中的打磨工具122的力、力矩的目标值调整末端执行器120的角度，使打磨工具122与工件140在法向方向上正压力达到预设的目标值。从而，通过阻抗控制方式，可以实现打磨机器人的打磨工具122在工件140的表面上的自动贴合、恒力接触。其中，阻抗控制方式为控制装置提供关节模组的关节目标位置，以使关节模组产生位移分量并带动末端执行器调整角度。
控制装置130将末端执行器120的切向方向上的位置趋势分解为关节模组的位移分量、并分别对关节模组的位移分量实施位置补偿。
请参见图3并结合图1，机械臂100的每个关节模组110包含伺服电机112和编码器111，其中：
编码器111将关节模组110的关节位置数据反馈到控制装置130；
控制装置130根据末端执行器120的末端目标位置分别计算关节模组110的关节目标位置、并根据关节模组110的关节目标位置以及关节位置数据分别计算关节模组110的驱动电流；
伺服电机112根据控制装置130确定的驱动电流来控制关节模组110的位移分量。
为了实现上述的关节模组110的位移分量，控制装置130包括并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元，其中：
PID控制单元用于根据末端执行器120的末端目标位置分别计算各关节模组110的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；
虚拟分解控制单元用于根据末端执行器120的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组110的第二驱动电流；
并且，PID控制单元和虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。
其中，虚拟分解控制单元针对各关节模组分别创建运动学模型，并设定每个关节模组的运动学模型的模型参数；然后以各关节模组的关节目标位置数据以及各关节模组的关节位置数据为输入计算各关节模组对应的力矩，并将各关节模组对应的力矩转换为各关节模组对应的第二驱动电流。
上述的运动学模型以运动学方程和动力学方程为约束条件；
其中，运动学方程为：
Figure BDA0002156970420000051
Figure BDA0002156970420000052
Figure BDA0002156970420000053
Figure BDA0002156970420000054
其中，i∈{1,2,…,n}，ri表示任务空间，Vri为任务空间的速度，
Figure BDA0002156970420000055
vri为任务空间的线速度，ωri为任务空间的角速度；
Figure BDA0002156970420000056
表示与任务空间不同的坐标系；
σi和
Figure BDA0002156970420000057
代表关节i的类型，且移动关节的
Figure BDA0002156970420000058
旋转关节的
Figure BDA0002156970420000059
z3＝[0,0,1,0,0,0]T、z6＝[0,0,0,0,0，1]T代表关节的驱动轴；
动力学方程为：
Figure BDA0002156970420000061
Figure BDA0002156970420000062
Figure BDA0002156970420000063
其中，i∈{n，n-1,…,1}，*表示合力，Fri为任务空间中刚体i受到的合力，
Figure BDA0002156970420000064
fri为任务空间中的力，mri为任务空间中的力矩；
Figure BDA0002156970420000065
分别代表关节位置、速度和加速度向量；
Figure BDA0002156970420000066
分别代表任务空间的位姿、速度和加速度向量；雅克比矩阵为
Figure BDA0002156970420000067
则
Figure BDA0002156970420000068
Figure BDA0002156970420000069
代表关节空间惯量矩阵，
Figure BDA00021569704200000610
代表哥氏力和离心力矩阵，
Figure BDA00021569704200000611
代表重力项向量；
Figure BDA00021569704200000612
代表任务空间惯量矩阵，
Figure BDA00021569704200000613
代表哥氏力和离心力矩阵，
Figure BDA00021569704200000614
代表重力项向量，且
Figure BDA00021569704200000615
Figure BDA00021569704200000616
为θi的估计值，
Figure BDA00021569704200000617
为正对角矩阵；
Figure BDA00021569704200000618
为惯性参数向量，k为惯性参数个数；
Figure BDA00021569704200000619
分别任务空间和关节空间惯性参数的回归矩阵，且
Figure BDA00021569704200000620
进一步地，运动学方程的初始条件为基座的速度和加速度为0，即
Figure BDA00021569704200000621
Figure BDA00021569704200000622
且
Figure BDA00021569704200000623
进一步地，动力学方程的初始条件为末端执行器的所受外力，即
Figure BDA00021569704200000624
进一步地，运动学模型子单元进一步确定任务空间的参考速度为
Figure BDA00021569704200000625
以及关节空间的参考速度为
Figure BDA00021569704200000626
为了增强控制器的控制效果，虚拟分解控制单元进一步用于对机械臂100进行动力学补偿。其中，动力学补偿包括对所述机械臂的动态力的补偿，动态力包括惯性力、旋转引起的陀螺效应、负载重力，机械臂本体重力。其中，自适应律方程为：
Figure BDA00021569704200000627
其中，Γ为正定矩阵。
进一步地，关节模组的输出力矩方程为：
Figure BDA0002156970420000071
其中，
Figure BDA0002156970420000072
分别代表关节的驱动力向量和在任务空间的表达，且τ＝JTFu；
Figure BDA0002156970420000073
分别代表末端执行器作用于环境的接触力向量在关节空间和任务空间的表达，且τe＝JTFe。
自适应律可以实时的辨识出模型参数，并可利用这些参数使得控制效果达到最优化，进而控制相应速度更快。
请参见图4并结合图1，控制装置130以导纳控制方式控制末端执行器120的切向方向上的位置趋势，控制装置130将末端执行器120的切向方向上的位置趋势分解为关节模组的位移分量、并分别对关节模组的位移分量实施位置补偿。
控制装置130进一步利用导纳控制方式对末端执行器120的末端目标位置进行位置补偿以响应于末端执行器120的外界拖拽力。并且，控制装置130在末端拖动模式下形成末端执行器120在工件140表面内的运动轨迹。
其中，末端拖动模式为末端执行器120收到外界拖拽力的情况。基于多维力传感器121感测到外界拖拽力，并通过导纳控制方式为控制装置提供关节模组的关节目标位置，以使关节模组产生位移分量并带动末端执行器移动。拖拽过程尽可能准确地沿着工件俯视图的轮廓运动并形成封闭路线，控制装置根据预设的时间间隔记录末端执行器的路径点。
进一步地，关节模组的位移分量实用上述的PID控制单元和虚拟分解控制单元进行补偿计算。
同时，控制装置130进一步包括轨迹生成程序以根据末端拖动模式下记录的末端执行器的路径点生成末端执行器120在工件140表面内的运动轨迹。其中，轨迹生成程序采用奇异值分解的方法对在末端拖动模式下的路径点进行降维处理，并通过曲线拟合和间隔采样的方式确定机械臂100在采样平面内的速度趋势的轨迹。
从而，本实施例提供的打磨机器人可以根据上述的运动轨迹进行沿轨打磨。
可以理解的是，本实施例提供的打磨机器人的运动轨迹可以为在拖动模式下控制机构生成的打磨轨迹，也可以为控制装置直接输入的末端执行器的运动轨迹。
请参见图5，本申请另一个实施例提供了一种打磨机器人的位置补偿方法，所述机械臂包含若干个关节模组、并在末端装设有末端执行器，所述末端执行器装设有多维力传感器，并且所述位置补偿方法包括：
S110、接收所述多维力传感器在所述打磨工具对工件实施打磨操作期间感测到的受力信息；
S120、根据所述受力信息控制所述关节模组的位移以对所述末端执行器的运动轨迹施加位置补偿，所述位置补偿具有使所述打磨工具的受力信息趋向于期望受力状态的补偿趋势。
基于上述的实施例提供的打磨机器人，S110具体为：
控制装置130基于多维力传感器121感测到的打磨工具122的受力信息，并通过预设的打磨过程中的打磨工具122的力、力矩的目标值调整末端执行器120的角度，使打磨工具122与工件140在法向方向上正压力达到预设的目标值。
进一步地，S120具体为：
控制装置130以导纳控制方式控制末端执行器120的切向方向上的位置趋势，控制装置130将末端执行器120的切向方向上的位置趋势分解为关节模组的位移分量、并分别对关节模组的位移分量实施位置补偿。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种打磨机器人，其特征在于，包括：
机械臂，所述机械臂包含若干个关节模组、并在末端装设有末端执行器；
多维力传感器，所述多维力传感器装设于所述末端执行器；
打磨工具，所述打磨工具装设于所述多维力传感器；
控制装置，所述控制装置用于接收所述多维力传感器在所述打磨工具对工件实施打磨操作期间感测到的受力信息，并根据所述受力信息控制所述关节模组的位移以对所述末端执行器的运动轨迹施加位置补偿，所述位置补偿具有使所述打磨工具的受力信息趋向于期望受力状态的补偿趋势；
其中，所述控制装置以阻抗控制方式控制所述末端执行器的法向方向上的位置趋势、并以导纳控制方式控制所述末端执行器的切向方向上的位置趋势；
所述控制装置包括并联设置的PID控制单元和虚拟分解控制单元，其中，
所述PID控制单元用于根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；
所述虚拟分解控制单元用于根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第二驱动电流，其中，虚拟分解控制单元针对各关节模组分别创建运动学模型，并设定每个关节模组的运动学模型的模型参数；然后以各关节模组的关节目标位置数据以及各关节模组的关节位置数据为输入计算各关节模组对应的力矩，并将各关节模组对应的力矩转换为各关节模组对应的第二驱动电流；
并且，所述PID控制单元和所述虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。
2.根据权利要求1所述的打磨机器人，其特征在于，所述控制装置进一步利用导纳控制方式对所述末端执行器的末端目标位置进行位置补偿以响应于所述末端执行器的外界拖拽力。
3.根据权利要求2所述的打磨机器人，其特征在于，所述控制装置在末端拖动模式下形成所述末端执行器在工件表面内的运动轨迹。
4.根据权利要求1所述的打磨机器人，其特征在于，所述控制装置将所述末端执行器的切向方向上的位置趋势分解为所述关节模组的位移分量、并分别对所述关节模组的所述位移分量实施位置补偿。
5.根据权利要求4所述的打磨机器人，其特征在于，所述机械臂的每个关节模组包含伺服电机和编码器，其中：
所述编码器将所述关节模组的关节位置数据反馈到所述控制装置；
所述控制装置根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算所述关节模组的关节目标位置、并根据所述关节模组的关节目标位置以及关节位置数据分别计算所述关节模组的驱动电流；
所述伺服电机根据控制装置确定的驱动电流来控制所述关节模组的位移分量。
6.根据权利要求1所述的打磨机器人，其特征在于，所述虚拟分解控制单元进一步用于对所述机械臂进行动力学补偿。
7.根据权利要求6所述的打磨机器人，其特征在于，所述动力学补偿包括对所述机械臂的动态力的补偿，其中，所述动态力包括惯性力、旋转引起的陀螺效应、负载重力，机械臂本体重力。
8.一种打磨机器人的位置补偿方法，其特征在于，所述打磨机器人包括：机械臂，所述机械臂包含若干个关节模组、并在末端装设有末端执行器；多维力传感器，所述多维力传感器装设于所述末端执行器；打磨工具，所述打磨工具装设于所述多维力传感器；
所述位置补偿方法包括：
S110、接收所述多维力传感器在所述打磨工具对工件实施打磨操作期间感测到的受力信息；
S120、根据所述受力信息控制所述关节模组的位移以对所述末端执行器的运动轨迹施加位置补偿，所述位置补偿具有使所述打磨工具的受力信息趋向于期望受力状态的补偿趋势；
其中，所述控制所述关节模组的位移以对所述末端执行器的运动轨迹施加位置补偿，包括：以阻抗控制方式控制所述末端执行器的法向方向上的位置趋势、并以导纳控制方式控制所述末端执行器的切向方向上的位置趋势；
所述以导纳控制方式控制所述末端执行器的切向方向上的位置趋势，包括：由PID控制单元根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第一驱动电流；
由虚拟分解控制单元根据所述末端执行器的末端目标位置分别计算各关节模组的关节目标位置、并根据各关节模组的关节目标位置以及各关节模组的关节位置数据分别计算各关节模组的第二驱动电流；其中，虚拟分解控制单元针对各关节模组分别创建运动学模型，并设定每个关节模组的运动学模型的模型参数；然后以各关节模组的关节目标位置数据以及各关节模组的关节位置数据为输入计算各关节模组对应的力矩，并将各关节模组对应的力矩转换为各关节模组对应的第二驱动电流；并且，所述PID控制单元和所述虚拟分解控制单元计算得到的每个关节模组的第一驱动电流和第二驱动电流叠加后输出至该关节模组的驱动电机。
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