CN114310897B - 机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法、系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人运动姿态优化技术领域，公开了一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法、系统及应用，根据待测零件的CAD模型，借助UG二次开发平台获取曲面参数，采用等参数的方法生成了机器人测量时的初始路径和位姿信息；选取干涉的检查曲面，离散为数据点；由机器人测量的路径点和检查曲面的特征点，构建测量路径点的无干涉区域；根据工件安装位置，末端执行器安装位置，机器人逆运动学，计算机器人测量时的关节加速度；以关节加速度为指标，测量轴线偏差角度建立优化，以各路径点的测量可行区域为搜索域，采用差分进化算法进行分段优化。本发明实现了机器人在夹持点激光位移传感器进行测量时的无干涉路径生成以及运动光顺。

Description

机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法、系统及应用

技术领域

本发明属于机器人运动姿态优化技术领域，尤其涉及一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法、系统及应用。

背景技术

目前，随着科学技术发展日新月异，复杂曲面在航空航天、汽车、船舶等领域的应用日益广泛。复杂曲面的制造大多由铸造而成，受铸造冷却过程中不同部位的热缩量差异的影响，铸造成型的复杂曲面表面余量不均且波动范围大,需要通过进一步精加工，精加工前需通过测量的方式得到去除余量。目前的测量方式主要分为接触式测量和非接触式测量，其中非接触式测量工作范围小，不适用于易发生干涉的复杂曲面。而机器人具有工作空间大灵活性强的优点，但机器人执行测量任务时，具有冗余自由度，若规划不当，会导致测量的震动以及测量干涉问题。因此研究机器人夹持激光位移传感器进行复杂曲面的表面测量时的机器人位姿优化以及运动光顺很有必要。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

接触式测量以三坐标测量为例，其工作范围小，可测的零件区域有限，且成本高，不适用于大面积的复杂曲面测量。而现有的非接触式测量大多采用固定激光位移传感器，采用机器人夹持零件进行测量，同样也不适用于复杂零件，极易发生干涉现象。机器人执行测量任务时，若规划不当，会导致测量的震动以及测量干涉问题。

解决以上问题及缺陷的难度为：

这类问题的难点主要在于机器人夹持激光位移传感器进行测量时，由于复杂曲面零件的结构特殊，激光位移传感器极易与零件发生干涉现象，且激光位移传感器进行测量时激光的入射方向与曲面测点的法线不能有较大角度偏差。而不合理的干涉避免又会导致机器人运动颤振，如何同时考虑测量的无干涉避免，激光入射角度偏差以及机器人运动光顺为解决此类问题的难点

解决以上问题及缺陷的意义为：

有效的解决这类问题，可以为曲面零件余量测量带来新的方法即通过机器人夹持激光位移传感器的方法进行测量，可有效的提高测量效率以及降低测量成本，此外，此类方法亦可通过转换用于机器人焊接、喷涂等具有相似特征的工作环境。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法、系统及应用。

本发明是这样实现的，一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法、包括：复杂曲面零件在进行铸造件后，往往需要经过精加工以获取更高的表面质量，而精加工的余量需要通过余量来测定。采用机器人加持激光位移传感器进行非接触式测量的方法较之传统的三坐标测量的方法有更快的速度以及更高的灵活性，但由于零件曲面复杂，若机器人测量路径规划不当，极易发生传感器与零件发生干涉现象和机器人运动的颤振现象，基于此本发明提出一种机器人测量的位姿优化及运动光顺的方法，采用基于UG二次开发的方法获取曲面参数以得到机器人测量初始路径，然后基于距离的方法生成无干涉区域，建立以机器人关节加速度为优化指标，考虑激光入射角度偏差，奇异性，关节限位等约束条件，基于分段的差分进化方法进行优化求解，所得机器人测量路径为光顺且无干涉的。

具体包括：

步骤一，根据待测零件的CAD模型，借助UG二次开发平台获取曲面参数，以等参数法确定测量初始路径，以路径点的法线方向为初始测量姿态；

步骤二，根据待测的曲面，选择可能发生干涉的其他曲面，将曲面的表面特征用离散点表示，记录离散点数据；

步骤三，由机器人测量的路径点和检查曲面的检查点，对测量点的机器人姿态进行调整，记录下无干涉的角度；

步骤四，根据工件安装位置，标定工件坐标系相对于机器人基坐标系的位置，标定机器人工具坐标系的位置，建立机器人逆运动学；

步骤五，以机器人关节加速度为性能指标，根据激光入射角度偏差、机器人关节奇异性、关节限位，采用差分进化的方式分段进行优化得到无干涉的机器人测量运动轨迹。

进一步，步骤一以等参数法确定测量初始路径，以路径点的法线方向为初始测量姿态包括：

利用UG二次开发获取到待测曲面的参数信息S(u,v),通过等参数法获取测量初始点，测量的位姿信息以测量点处曲面的法向量为Z轴，切向量为X轴，以右手螺旋法则建立局部坐标系，转化为ZYZ欧拉角表示，测量点表示为：

其中：为工件坐标系下的测量路径点的坐标以及ZYZ欧拉角，N为测量点数目。

进一步，所述步骤二具体包括：

选择可能发生干涉的曲面，利用UG二次开发的获取点的函数UF_MODL_ask_curve_points()获取曲面上的离散点(x,y,z)，记录离散点数据。

进一步，所述步骤三具体包括：

由机器人测量的路径点和检查曲面的检查点P_i，以测量点的初始姿态为局部坐标系，将末端执行器简化为圆柱体，将末端执行器不断绕X轴旋转α角，Y轴旋转β角，改变轴线矢量：

通过判断检查点到圆柱体轴线矢量的距离d和末端执行器简化的圆柱半径R大小关系来计算是否干涉，如果d>R,则无干涉现象，记录下无干涉的角度(α,β),将其在平面坐标系下表示，即构建测量路径点的无干涉区域。

进一步，所述步骤四具体包括：

根据工件安装位置，标定工件坐标系相对于机器人基坐标系的位置，记为末端执行器安装位置即工具坐标系机器人逆运动学/>其中/>为测量坐标系到机器人基座的变换矩阵，计算方式如下：

通过反解得到的第i个路径点的机器人关节角θⁱ，通过差分的方式计算出机器人将第j个关节在测量点i处的关节加速度近似为：

其中为第i个测量点对应的第j个关节角度值，/>f为机器人进给速率。

机器人运动过程中采用以下关节奇异性避免方法避免关节奇异性，定义

其中J是归一化的机器人雅可比矩阵，其中I_3×3,0_3×3和J是单位矩阵，零矩阵和机器人的雅可比矩阵，/>越小，机器人距离奇异点越远。

进一步，所述步骤五具体包括：

以机器人运动时的关节加速度为指标，考虑激光入射偏差角度、关节限位、关节奇异性，得出最后优化任务为：

其中f^-1(·)为机器人的逆运动学，q_min,q_max是机器人的关节限位，θ_max为末端执行器轴线偏移限制角度，δ₁为指定的奇异规避系数；

该优化任务为高维非线性的，此处采用差分进化的算法进行搜索求解，主要包括种群初始化，变异，交叉，选择等几个步骤，鉴于此算法已经有十分成熟的方案，此处不再叙述。但由于一条测量路径上的路径点数目过多，若采用整条路径差分进化计算，会导致计算量大，效果差等缺点，所以本发明采用一种分段优化的方法。

进一步，所述分段优化包括：首先将路径分为若干个短路径，进行逐段光顺；在路径连接处将第一路径的后两个测试点作为第二路径的初始点，避免路径的分割带来的关节角突变问题。通过此种方法即可得出无干涉的光顺的机器人测量路径。

本发明的另一目的在于提供一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算系统，包括：

机器人本体、激光位移传感器、专用夹具、复杂曲面工件、UG二次开发模块、MATLAB优化模块和机器人控制模块；

所述专用夹具和机器人本体末端、激光位移传感器通过螺栓连接，所述复杂曲面工件通过专用夹具夹持固定。

UG二次开发模块主要功能为根据零件的理论模型，获取曲面参数，基于等参数的方法生成初始路径、获取曲面法线信息生成初始测量姿态以及获取检查面的初始信息。

MATLAB优化模块的主要功能为根据UG二次开发模块获取的曲面信息以及初始路径建立无干涉碰撞区域，建立以机器人关节加速度为优化指标，考虑激光入射角度偏差，奇异性，关节限位等约束条件，基于分段的差分进化方法进行优化求解。

机器人控制模块即采用优化后的关节角度转化为机器人可执行文件导入机器人控制柜以完成相应的测量任务。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明根据复杂曲面数据，自动生成测量路径，以及测量路径点的无干涉区域；考虑测量时的入射倾角偏差，通过优化时的约束条件保证测量精度；采用分段优化的方法，并在路径分段处考虑连续性问题，采用差分进化的算法进行优化，所得到的路径为无干涉且机器人运动为光顺的。在基于复杂曲面表面测量的实际技术问题中，传统的采用工业软件的加工路径生成的方法，适用条件一般为五轴机床的加工环境，而且路径的制造效果往往取决于对于软件的熟练程度以及经验。本方案根据机器人夹持传感器测量的特点，根据零件的模型数据直接得出无干涉的测量路径，效率更高且精度可控。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法流程图。

图2是本发明实施例提供的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算系统的设备图。

图3是本发明实施例提供的建立的坐标转换示意图。

图4是本发明实施例提供的根据UG二次开发，用C/C++语言编程，以等参数法确定测量路径点，以所在等参数曲线的切向量为X轴，曲面法向量为Z轴建立的初始测量路径示意图。

图5是本发明实施例提供的根据待测的曲面，判断干涉示意图。

图6是本发明实施例提供的根据初始路径以及检查点得到的单测量路径点下的无干涉测量姿态范围。

图7是本发明实施例提供的优化后的机器人关节角度示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法包括：

S101，根据待测零件的CAD模型，借助UG二次开发平台获取曲面参数，以等参数法确定测量初始路径，以路径点的法线方向为初始测量姿态；

S102，根据待测的曲面，选择可能发生干涉的其他曲面，将曲面的表面特征用离散点表示，记录离散点数据；

S103，由机器人测量的路径点和检查曲面的检查点，对测量点的机器人姿态进行调整，记录下无干涉的角度；

S104，根据工件安装位置，标定工件坐标系相对于机器人基坐标系的位置，标定机器人工具坐标系的位置，建立机器人逆运动学；

S105，以机器人关节加速度为性能指标，根据激光入射角度偏差、机器人关节奇异性、关节限位，采用差分进化的方式分段进行优化得到无干涉的机器人测量运动轨迹。

本发明还提供一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算系统，包括：

机器人本体、激光位移传感器、专用夹具、复杂曲面工件、UG二次开发模块、MATLAB优化模块和机器人控制模块；

所述专用夹具和机器人本体末端、激光位移传感器通过螺栓连接，所述复杂曲面工件通过专用夹具夹持固定。

UG二次开发模块主要功能为根据零件的理论模型，获取曲面参数，基于等参数的方法生成初始路径、获取曲面法线信息生成初始测量姿态以及获取检查面的初始信息。

MATLAB优化模块的主要功能为根据UG二次开发模块获取的曲面信息以及初始路径建立无干涉碰撞区域，建立以机器人关节加速度为优化指标，考虑激光入射角度偏差，奇异性，关节限位等约束条件，基于分段的差分进化方法进行优化求解。

机器人控制模块即采用优化后的关节角度转化为机器人可执行文件导入机器人控制柜以完成相应的测量任务。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

(a)根据待测零件的CAD模型，借助UG二次开发平台获取曲面参数，以等参数法确定测量初始路径。测量的位姿信息则由测量点的法向量为Z轴，切向量为X轴，以右手螺旋法则建立局部坐标系，转化为ZYZ欧拉角表示。测量点表示为：

其中：为工件坐标系下的测量路径点的坐标与以及ZYZ欧拉角，N为测量点数目；

(b)根据待测的曲面，选择可能发生干涉的其他曲面，将曲面的表面特征用离散点表示，这些离散点被称检查点用于干涉检查的判定点；

(c)由机器人测量的路径点和检查曲面的检查点P_i，以测量点的初始姿态为局部坐标系，将末端执行器简化为圆柱体，将末端执行器不断绕X轴旋转α角，Y轴旋转β角，改变轴线矢量：

通过判断检查点到轴线矢量的距离来计算是否干涉，记录下无干涉的角度(α,β),将其在平面坐标系下表示即构建测量路径点的无干涉区域；

(d)根据工件安装位置，标定工件坐标系相对于机器人基坐标系的位置，记为末端执行器安装位置即工具坐标系机器人逆运动学/>其中/>为测量坐标系到机器人基座的变换矩阵，计算方式如下：

通过反解得到的第i个路径点的机器人关节角θⁱ，通过差分的方式计算出机器人将第j个关节在测量点i处的关节加速度近似为：

其中为第i个测量点对应的第j个关节角度值。/>f为机器人进给速率。

此外机器人运动过程中应该避免关节奇异性，采用现有的关节奇异性避免方法，定义

其中J是归一化的机器人雅可比矩阵，其中I_3×3,0_3×3和J是单位矩阵，零矩阵和机器人的雅可比矩阵。/>越小，机器人距离奇异点越远。

(e)查阅现有文献可知，点激光位移传感器的测量精度与激光出射方向和待测曲面的夹角大小有关系，夹角越小，所带来的测量误差越小，所以定义Δ_{t_i}为激光出射方向与曲面初始法向量的夹角。同时机器人的各关节运动不能超过关节限位。经过综合考虑，以机器人运动时的关节加速度为指标，考虑激光出射偏差角度，关节限位，关节奇异性，得出最后优化任务为：

其中f^-1(·)为机器人的逆运动学，q_min,q_max是机器人的关节限位，θ_max为末端执行器轴线偏移限制角度，δ₁为指定的奇异规避系数。

该优化任务为高维非线性的，此处采用差分进化的算法进行搜索求解，主要包括种群初始化，变异，交叉，选择等几个步骤，鉴于此算法已经有十分成熟的方案，此处不再叙述。但由于一条测量路径上的路径点数目过多，若采用整条路径差分进化计算，会导致计算量大，效果差等缺点，所以本发明采用一种分段优化的方法，首先将路径分为若干个短路径，进行逐段光顺，考虑运动连续问题。在路径连接处实现第一路径的后两个测试点作为第二路径的初始点，避免因为路径的分割带来的关节角突变问题。综上即可得出优化后的关节路径。

本发明实施例中的步骤(d)和(e)中考虑机器人测量时的关节加速度约束。

本发明实施例中的步骤(e)中考虑(d)中构建的无碰撞区域来优化机器人末端位姿以减少机器人加速度的优化目标，并考虑关节限位以及奇异性避免。

图2是安装本发明的优选实例所构建的基于机器人夹持激光位移传感器进行曲面表面测量时的位姿优化以及关节运动光顺方法，基于机器人夹持激光位移传感器进行曲面表面测量时的机器人测量的位姿优化以及关节运动光顺方法的设备示意图。本发明所用到的设备有：机器人本体1、激光位移传感器2、专用夹具3、复杂曲面工件4、UG二次开发程序、MATLAB优化程序、机器人控制程序。

如图2所示，本发明实施例中的专用夹具3和机器人1末端、激光位移传感器2通过螺栓连接，建立如图3所示机器人测量的坐标系，其中基坐标系为{b},测量末端坐标系为{cl}，工件坐标系为{w}，激光位移传感器坐标系为{tcp}。

如图4所示，对于待测量的零件，采用UG二次开发生成初始测量路径，获取如图5所示检查曲面的离散点。

如图5所示，基于距离的判别方法判断是否发生干涉，并生成如图6所示单个路径点的无干涉区域。

如图7所示，将生成的初始路径以及无干涉区域一同带入路径优化算法中去，所获得的关节运动效果如图7所示。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法，其特征在于，所述机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法包括：采用基于UG二次开发的方法获取曲面参数以得到机器人测量初始路径；然后基于距离的方法生成无干涉区域，建立以机器人关节加速度为优化指标，结合激光入射角度偏差，奇异性，关节限位约束条件，利用分段的差分进化方法进行优化指标求解，得到机器人测量路径；

所述机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法具体包括：

步骤一，根据待测零件的CAD模型，借助UG二次开发平台获取曲面参数，以等参数法确定测量初始路径，以路径点的法线方向为初始测量姿态；

步骤二，根据待测的曲面，选择发生干涉的其他曲面，将发生干涉的其他曲面的表面特征用离散点表示，记录离散点数据；

步骤三，由机器人测量的路径点和检查曲面的检查点，对测量点的机器人姿态进行调整，记录下无干涉的角度；

步骤四，根据工件安装位置，标定工件坐标系相对于机器人基坐标系的位置，标定机器人工具坐标系的位置，建立机器人逆运动学；

步骤五，以机器人关节加速度为性能指标，根据激光入射角度偏差、机器人关节奇异性、关节限位，采用差分进化的方式分段进行优化得到无干涉的机器人测量路径；

所述步骤一以等参数法确定测量初始路径，以测量的路径点的法线方向为初始测量姿态包括：利用UG二次开发获取到待测曲面的参数信息S(u,v)，通过等参数法获取测量初始点，测量的位姿信息以测量点处曲面的法向量为Z轴，切向量为X轴，以右手螺旋法则建立局部坐标系，转化为ZYZ欧拉角表示，测量点表示为：

其中：为工件坐标系下的测量的路径点的坐标以及ZYZ欧拉角，n为测量点数目；

所述步骤二具体包括：选择发生干涉的曲面，利用UG二次开发的获取点的函数UF_MODL_ask_curve_points()获取曲面上的离散点(x,y,z)，记录离散点数据；

所述步骤三具体包括：由机器人测量的路径点和检查曲面的检查点P_i，以测量点的初始姿态为局部坐标系，将末端执行器简化为圆柱体，将末端执行器不断绕X轴旋转α角，Y轴旋转β角，改变轴线矢量：

通过判断检查点到圆柱体轴线矢量的距离d和末端执行器简化的圆柱体半径R大小关系来计算是否干涉，如果d>R,则无干涉现象，记录下无干涉的角度(α,β),将其在平面坐标系下表示，即构建测量的路径点的无干涉区域；

所述步骤四具体包括：

根据工件安装位置，标定工件坐标系相对于机器人基坐标系的位置，记为末端执行器安装位置即工具坐标系机器人逆运动学/>其中/>为测量坐标系到机器人基座的变换矩阵，计算方式如下：

通过反解得到的第i个路径点的机器人关节角θⁱ，通过差分的方式计算出机器人将第j个关节在测量点i处的关节加速度近似为：

其中为第i个测量点对应的第j个关节角度值，/>f为机器人进给速率；

所述步骤五具体包括：

以机器人运动时的关节加速度为指标，结合激光入射偏差角度、关节限位、关节奇异性，得出最后优化任务为：

其中f^-1(·)为机器人的逆运动学，q_min,q_max是机器人的关节限位，θ_max为末端执行器轴线偏移限制角度，δ₁为指定的奇异规避系数。

2.如权利要求1所述的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法，其特征在于，所述优化任务采用分段优化的方法进行优化；

所述分段优化包括：首先将路径分为若干个短路径，进行逐段光顺；在路径连接处将第一路径的后两个测量点作为第二路径的初始点，避免路径的分割的关节角突变。

3.一种用于实施权利要求1～2任意一项所述的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算系统，其特征在于，所述机器人测量的位姿优化及运动光顺计算系统包括：

机器人本体、激光位移传感器、专用夹具、复杂曲面工件、UG二次开发模块、MATLAB优化模块和机器人控制模块；

所述专用夹具和机器人本体末端、激光位移传感器通过螺栓连接，所述复杂曲面工件通过专用夹具夹持固定；

UG二次开发模块主要功能为根据零件的理论模型，获取曲面参数，基于等参数的方法生成初始路径、获取曲面法线信息生成初始测量姿态以及获取检查曲面的初始信息；

MATLAB优化模块的主要功能为根据UG二次开发模块获取的曲面信息以及初始路径建立无干涉碰撞区域，建立以机器人关节加速度为优化指标，考虑激光入射角度偏差，奇异性，关节限位等约束条件，基于分段的差分进化方法进行优化求解；

机器人控制模块即采用优化后的关节角度转化为机器人可执行文件导入机器人控制柜以完成相应的测量任务。

4.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1～2任意一项所述的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法。

5.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1～2任意一项所述的机器人测量的位姿优化及运动光顺计算方法。