CN110405765A - 带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法 - Google Patents

带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，包括如下步骤：步骤S1：对带有冗余自由度的等离子喷枪机器人上的末端等离子喷枪运动轨迹进行优化生成目标运动轨迹；步骤S2：根据所述目标运动轨迹对所述等离子喷枪的参数进行正交化实验，生成等离子喷枪的多组目标参数；步骤S3：结合所述目标参数，进行水滴角测量分析，生成最优喷枪工作参数组合。本发明提供的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，增加了等离子体喷枪机器人表面改性任务的灵活性，优化了等离子喷枪机器人运动轨迹，使得表面改性工作具有更高的处理精度。

Description

带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法
技术领域
本发明涉及表面改性机器人对材料表面改性领域，具体地，涉及带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法。
背景技术
等离子表面改性技术以等离子喷枪为载体，无需其他低压真空设备及高昂维护费，并可同时实现产生区和应用区的分离，是当前等离子技术研究领域的热点之一。等离子表面改性技术的工作基面形状复杂，种类繁多、并非所有基面均需处理，如大型腔体内壁、口腔内牙齿等。因此在灵活性和稳定性方面对等离子喷枪提出了更高要求。传统等离子表面改性机器人虽然一定程度上可以满足这些要求，可以处理一些平面和简单曲面，但针对形状尺寸复杂及材质不均一的基面则很难满足表面改性处理要求。
针对以上问题，可以通过增加等离子喷枪机器人冗余度的方式来提高其作业灵活性和工作稳定性，但是冗余自由度的增加也同时加大了等离子喷枪机器人喷枪运动轨迹的控制难度，因此针对等离子喷枪机器人末端运动轨迹及喷枪参数的优化问题已经成为等离子技术研究的一个热点问题。
冗余自由度的存在导致等离子喷枪机器人关节空间运动特性非常复杂，喷枪末端运动路径很难描述。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法。本发明通过对有冗余自由度的等离子喷枪机器人在工作过程中末端的喷枪提出适应度函数优化算法来优化运动轨迹，和基于优化运动轨迹对喷枪参数进行正交化试验得到喷枪参数优化组合，最后通过仿真和水滴法试验验证了本发明的合理性。
根据本发明提供的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，包括如下步骤：
步骤S1：对带有冗余自由度的等离子喷枪机器人上的末端等离子喷枪运动轨迹进行优化生成目标运动轨迹；
步骤S2：根据所述目标运动轨迹对所述等离子喷枪的参数进行正交化实验，生成等离子喷枪的多组目标参数；
步骤S3：结合所述目标参数，进行水滴角测量分析，生成最优喷枪工作参数组合。
优选地，所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S101：在带有冗余自由度的等离子喷枪机器人关节空间进行含抛物线的直线拟合，生成拟合曲线；
步骤S102：选取拟合曲线上的点，生产三十带有冗余自由度的等离子喷枪机器人末端等离子喷枪的拟合运动轨迹；
步骤S103：预设置一期望运动轨迹，将所述运动轨迹与期望运动轨迹进行对比，定义期望运动轨迹和拟合运动轨迹的误差为适应度函数，根据所述适应度函数生成所述目标运动轨迹。
优选地，所述冗余自由度的等离子喷枪机器人包括带有冗余自由度的机器人、单自由度滑轨以及等离子喷枪；
其中，所述带有冗余自由度的机器人的底端设置在所述单自由度滑轨上，能够沿所述单自由度滑轨滑动；
所述等离子喷枪设置在所述带有冗余自由度的机器人上，所述带有冗余自由度的机器人带动所述等离子喷枪移动。
优选地，所述步骤S102具体为：
建立带有冗余自由度的等离子喷枪机器人的坐标系，在所述坐标系内计算带有冗余自由度机器人的运动学正解，可得拟合之后的末端等离子喷枪的拟合运动轨迹的矩阵方程：
优选地，所述步骤S103包括如下步骤：
步骤S1031：预设置等离子喷枪的期望运动轨迹的矩阵方程为：
步骤S1032：以拟合运动轨迹和期望运动轨迹的矩阵方程中的位置矢量和姿态矢量为目标，利用线性拉伸评价函数构造出的适应度函数来计算期望运动规矩姿和拟合运动规矩之间的误差，
其中，F是由线性拉伸评价函数构造出的适应度函数；是体现位姿偏差的评价函数，fitmax代表的最大值；fitavg是的平均值，c表示最佳个体复制数量。
优选地，所述最优喷枪工作参数组合为：电源功率：1825w；大气压力：0.3MPa；喷枪距离：12mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，增加了等离子体喷枪机器人表面改性任务的灵活性，优化了等离子喷枪机器人运动轨迹，使得表面改性工作具有更高的处理精度；通过正交化试验得到等离子喷枪最优化参数组合，达到了最理想的处理效果，并且通过水滴角试验验证了本发明的合理性、优越性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1本发明中带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法的步骤流程图；
图2本发明中带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人的结构示意图；
图3为本发明中带有冗余自由度机器人的坐标系示意图；
图4为本发明中适应度函数迭代图；
图5为本发明中飞机S形进气道仿真验证；
图6(a)为本发明中水滴角随电源功率、气体压力变化图；
图6(b)为本发明中水滴角随电源功率、喷枪距离变化图；
图7为本发明中水滴角优化试验仿真图；
图8为本发明中水滴角优化试验示意图。
图中：
1为带有冗余自由度的机器人；2为单自由度滑轨；3为等离子喷枪；4为旋转壳体。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本实施例中，图1为本发明中带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法的流程图，图2为本发明带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验装置的示意图，如图1、图2所示；
本发明提供的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，包括如下步骤：
步骤S1：对带有冗余自由度的等离子喷枪机器人上的末端喷枪运动轨迹进行优化生成目标运动轨迹；
首先，建立带有冗余自由度的等离子喷枪机器人的坐标系，如图3所示，设t0为开始时间；te为曲线拟合结束时间；ts1为关节特征点选取时间；tm为中间时刻；tf为结束时间。每个关节选取两个分布于对称点θm两侧的特征点。
相邻两连杆坐标系之间的齐次坐标变换，表示出了相邻两杆之间相对的位姿关系，用矩阵的形式可以表示为
通过齐次坐标变换有：
在图3所示，在所述坐标系内利用带有冗余自由度的等离子喷枪机器人运动学正解，可得拟合之后的末端等离子喷枪的拟合运动轨迹的矩阵方程，其中n，o，a分别为末端坐标系7在基坐标系0下的单位矢量，p为位置矢量：
同时设置等离子喷枪的期望运动轨迹的矩阵方程：
定义期望运动轨迹和拟合运动轨迹之间的差值为评价函数，两者相差越小，适应度就越高，表示等离子机器人关节空间的拟合就越合理。
本发明中以位姿矩阵中的位置矢量和姿态矢量为目标，利用线性拉伸评价函数构造出的适应度函数来计算期望运动规矩和拟合运动规矩之间的误差。
在式(4)中，F是由线性拉伸评价函数构造出的适应度函数；是体现位姿偏差的评价函数，如式(5)所示；fitmax代表的最大值；fitavg是的平均值，c表示最佳个体复制数量，取值根据群体规模确定，本实施例中c＝2。根据线性拉伸算法特性，评价函数必须非负，否则需要进行相关变换，而本发明定义的评价函数可以保证非负性，所以本发明定义的适应度函数是适合的。
由于带有冗余自由度的等离子喷枪机器人的运动轨迹控制的要求能够实现对速度、加速度等运动的基本控制功能。为了实现对位移、速度、加速度等关节变量的连续控制，利用带有冗余自由度机器人控制系统中检测传感器连续测量相关参数，并实时反馈构成闭环伺服控制系统。
这种控制方式要求带有冗余自由度的等离子喷枪机器人末端喷枪按照预定轨迹、速度、加速度在一定控制精度要求内完成作业任务，这就要求随着迭代次数的增加所述适应度函数需要快速收敛，仿真图如图4适应度函数迭代图所示。在图4中带有冗余自由度的等离子喷枪机器人的关节速度和加速度都被耦合于适应度函数中，随着迭代次数的不断增加，适应度函数开始快速收敛，证明关节速度和加速度均符合等离子机器人的轨迹控制要求。
同时为了验证所得仿真轨迹的正确性，本发明以某型号飞机S形进气道为例进行仿真来判断拟合运动轨迹与期望运动轨迹的逼近程度，具体如图5飞机S形进气道仿真验证所示，仿真结果证明仿真轨迹与期望轨迹高度吻合，所以证明了本发明所用方法的正确性。
对于带有冗余自由度的等离子喷枪机器人来说，关节空间运动的稳定性和末端执行器运动的准确性对表面改性质量和效率有着很大的影响。
本发明在带有冗余自由度的等离子喷枪机器人关节空间内进行轨迹规划，保证了其关节运行的平稳性，同时利用遗传算法对轨迹规划中的参数进行优化，使得关节空间正解到末端笛卡尔坐标系时，带有冗余自由度的等离子喷枪机器人特征时间点上的轨迹和基面上的期望轨迹之间相差较小，由仿真结果可以看出，带有冗余自由度的等离子喷枪机器人末端运动非常符合期望轨迹的要求。
步骤S2：根据所述目标运动轨迹对所述喷枪的参数进行正交化实验，生成多组目标喷枪参数；
本发明带有冗余自由度的等离子喷枪机器人上的末端等离子喷枪运动轨迹进行优化生成目标运动轨迹的轨迹优化的基础下，对等离子喷枪3的参数如电源功率、气体压力、喷枪距离等进行优化，并以飞机进气道表面为例设计正交试验，研究表面改性过程中的3种主要工艺参数对水滴角试验的影响规律。表1所示为等离子喷枪参数变化范围，根据各参数变化范围设计正交试验如表2所示。
表1喷枪参数变化范围
喷枪参数 变量 范围
电源功率/w X<sub>1</sub> 1000～2000
气体压力/MPa X<sub>2</sub> 0.2～0.4
喷枪距离/mm X<sub>3</sub> 8～16
表2喷枪参数正交设计试验
步骤S3：结合所述目标喷枪参数，进行水滴角测量分析，生成最优喷枪工作参数组合。
对水滴角随电源功率、喷枪距离的在不同的气体压力下，三者之间的变化做了仿真图，如图6水滴角随电源功率、喷枪距离、气体压力变化图所示。由图6可知当压力取0.3MPa，距离取12mm，电源功率在1700w-1900w之间时，水滴角取较小值，为了获取一组有效参数值，现针对电源功率进一步进行正交化试验分析，分别如表3、4所示。
表3电源功率优化试验
编号 电源功率/w 气体压力/MPa 喷枪距离/mm
16 1700 0.3 12
17 1725 0.3 12
18 1750 0.3 12
19 1775 0.3 12
20 1800 0.3 12
21 1825 0.3 12
22 1850 0.3 12
23 1875 0.3 12
24 1900 0.3 12
表4水滴角优化数值试验
编号 水滴角 编号 水滴角 编号 水滴角
16 19.5 19 10.5 22 11.0
17 15.8 20 9.0 23 16.5
18 12.7 21 8.5 24 21.4
经试验分析可知优化试验水滴角在电源功率1825w处取得最小值，如图7中水滴角优化试验仿真图所示。此时测得的水滴角最小值为8.5度，此时得到一组最优化等离子喷枪组合参数，即电源功率：1825w；大气压力：0.3MPa；喷枪距离：12mm。水滴角最优化试验图，如图8所示。
综上所述，本发明提供的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，增加了等离子体喷枪机器人表面改性任务的灵活性，优化了等离子喷枪机器人运动轨迹，使得表面改性工作具有更高的处理精度；通过正交化试验得到等离子喷枪最优化参数组合，达到了最理想的处理效果，并且通过水滴角试验验证了本发明的合理性、优越性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：对带有冗余自由度的等离子喷枪机器人上的末端等离子喷枪运动轨迹进行优化生成目标运动轨迹；
步骤S2：根据所述目标运动轨迹对所述等离子喷枪的参数进行正交化实验，生成等离子喷枪的多组目标参数；
步骤S3：结合所述目标参数，进行水滴角测量分析，生成最优喷枪工作参数组合。
2.根据权利要求1所述的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S101：在带有冗余自由度的等离子喷枪机器人关节空间进行含抛物线的直线拟合，生成拟合曲线；
步骤S102：选取拟合曲线上的点，生产三十带有冗余自由度的等离子喷枪机器人末端等离子喷枪的拟合运动轨迹；
步骤S103：预设置一期望运动轨迹，将所述运动轨迹与期望运动轨迹进行对比，定义期望运动轨迹和拟合运动轨迹的误差为适应度函数，根据所述适应度函数生成所述目标运动轨迹。
3.根据权利要求1所述的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，其特征在于，所述冗余自由度的等离子喷枪机器人包括带有冗余自由度的机器人(1)、单自由度滑轨(2)以及等离子喷枪(3)；
其中，所述带有冗余自由度的机器人(1)的底端设置在所述单自由度滑轨(2)上，能够沿所述单自由度滑轨(2)滑动；
所述等离子喷枪(3)设置在所述带有冗余自由度的机器人(1)上，所述带有冗余自由度的机器人(1)带动所述等离子喷枪(3)移动。
4.根据权利要求2所述的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，其特征在于，所述步骤S102具体为：
建立带有冗余自由度的等离子喷枪机器人的坐标系，在所述坐标系内计算带有冗余自由度机器人的运动学正解，可得拟合之后的末端等离子喷枪的拟合运动轨迹的矩阵方程：
5.根据权利要求2所述的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，其特征在于，所述步骤S103包括如下步骤：
步骤S1031：预设置等离子喷枪的期望运动轨迹的矩阵方程为：
步骤S1032：以拟合运动轨迹和期望运动轨迹的矩阵方程中的位置矢量和姿态矢量为目标，利用线性拉伸评价函数构造出的适应度函数来计算期望运动规矩姿和拟合运动规矩之间的误差，
其中，F是由线性拉伸评价函数构造出的适应度函数；是体现位姿偏差的评价函数，fitmax代表的最大值；fitavg是的平均值，c表示最佳个体复制数量。
6.根据权利要求1所述的带有冗余自由度的等离子体喷枪机器人正交试验方法，其特征在于，所述最优喷枪工作参数组合为：电源功率：1825w；大气压力：0.3MPa；喷枪距离：12mm。
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