CN114800551A - 一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及其控制方法，包括六轴机器臂本体、控制器模块、视觉模块、音圈电机主动浮动机构、六维力传感器、末端磨抛工具模块；所述视觉模块通过连接板固定到机械臂末端，用以获取初步轨迹信息和定位；所述主动浮动机构通过底座固定在视觉模块连接板下；所述力传感器固定于浮动机构动子连接件下；所述磨抛作业模块固定于力传感器连接法兰下方。本发明装置采用模块化分置设计，针对不同加工需求配置不同型号的部件而不改变整体结构，易于维护；控制系统将机械臂的位置、姿态和主动浮动机构分别使用相应局部规划器控制，并以此修正全局规划轨迹，有效提高了控制系统的动态响应性能，提高了作业质量。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及其控制方法。
背景技术
随着“中国制造2025”行动纲领的提出，各工业领域开始加速推进信息化与工业化的深度融合，应用范围越来越广泛的机器人加工领域的研发是首当其冲的环节。现有的机器人加工领域应用大多都是机器人接触式作业，作业质量对机器人的力感知能力和力控制能力提出了较高的要求，特别是针对复杂曲面的加工，例如打磨、抛光等应用。在应用过程中往往要求其接触力能够恒定在一个水平，并且其施力的方向稳定在曲面法向上最佳，但是大多由铸造、模具加工出来的复杂曲面零件本身决定了无法获取比较精确的加工轨迹。研究机器人末端工具能否能够连续地平滑接触加工表面并施加恒定的接触力是目前机器人磨抛领域的一个关键问题。
目前的机器人复杂曲面加工主要有两种解决方法，一种是直接由机器人控制器完成力控制功能，例如力/位混合控制、阻抗控制、以及前二者配合各种智能控制方法实现，但是由于前二者单一控制效果不佳，无法保证加工过程中的鲁棒性和实时性要求，而配合各种智能控制会导致整个力控制开发流程冗杂并且很难实际应用或适用场景单一，如专利CN110695809B其基于强化学习的控制方式只适用于类圆柱面的曲面，对类旋转曲面甚至自由曲面适用性很低；另一种是采用特殊末端工具进行主动力控制，将力控制和位置控制在机械结构上分开，但是末端工具的开发形式往往为基于某一特定场景目标所单独设计，不具备普适性，如专利CN108818303A公开了一种机器人抛磨力控末端执行器，采用气动马达后置作为动力源，通过一根花键主轴将动力传递到打磨头部分，主轴贯穿整个装置，实现了旋转部分和直线部分的机械解耦，提高了稳定性，但由于在打磨头部分使用花键轴连接，意味着其设置在中部的力传感器在打磨姿态不垂直于曲面法向时无法测量偏转力矩用以姿态的调整，不适用于缺陷较多且不易确定运动规划轨迹的复杂曲面加工。
发明内容
针对机器人面向复杂曲面进行磨抛作业时，由于曲面不确定性导致磨抛作业路径规划困难，直接利用机械臂进行力控的鲁棒性和实时性差且现有部分末端柔顺装置以及控制方法适应性差等问题，本发明提供了一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及其控制方法，能实现各种复杂表面的自适应磨抛作业，并且有效提高磨抛作业时追踪曲面法向以及恒定磨抛力的效率以及稳定性。
本发明采用的技术方案如下：一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置，包括六轴机器臂本体、控制器模块、视觉模块、主动浮动机构、力传感器、末端磨抛工具模块。装置采用模块化分置设计，所述视觉模块通过连接板固定到机械臂末端，用以获取初步轨迹信息和定位；所述主动浮动机构通过底座固定在视觉模块连接板下；所述力传感器固定于浮动机构动子连接件下，用以读取控制方法所需求的力信号；所述磨抛作业模块固定于力传感器连接法兰下方，末端磨具具备可装卸性，可满足复杂曲面的不同打磨加工需求；所述控制器模块在PC中实现，采用分层规划的算法逻辑对打磨过程进行调控。
所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置的控制方法，其特征在于，通过视觉模块生成磨抛区域的点云模型并将其可视化到上位机，全局规划器根据上位机中手动框选的磨抛区域或者设置全局打磨模式来进行磨抛路径的规划，磨抛过程中控制器将分别通过位置、姿态、力三个局部控制器对全局路径进行优化，机械臂采用基于位置的速度控制、电机采用电流控制、实现对复杂曲面轮廓的跟踪以及法向恒力磨抛；具体包括以下步骤：
步骤1：基础工作准备，进行基于视觉的手眼标定，确定磨抛工具TCP 方式下工具坐标系，对力信号进行处理工作，第一是对采集的力信号进行滤波处理，第二是对力传感器下方连接磨抛工具进行重力补偿；
步骤2：全局信息处理，机械臂移动到待磨抛区域上方，视觉模块将采集待磨抛区域的表面深度点云信息以及RGB图像信息，并通过匹配算法将RGB图和点云图进行像素点匹配可视化在上位机软件GUI窗口中，通过设定局部磨抛模式框选磨抛区域或者全局磨抛模式，上位机对设定磨抛区域进行磨抛全局路径规划，并将路径信息发送给机械臂驱动，机械臂采用基于位置的速度控制方式，其以速度为控制量，位置为反馈量，对速度设定上限阈值，速度以梯形曲线方式变化，此所述控制方式能够更加柔顺地实现磨抛过程；
步骤3：实时力控磨抛，开始磨抛后，磨抛工具按照全局规划路径执行磨抛作业轨迹，并通过限位控制器、姿态控制器、接触力控制器三个局部控制器对磨抛过程进行调控；
进一步地，步骤1中可以自主设定磨抛方式，调整工具坐标系Z轴即力控制的方向实现端磨、角磨等磨抛方式，并相应地添加末端工具坐标系和力传感器坐标系的力映射处理以及进行具体步骤中各控制器阈值的改变。
进一步地，所述限位控制器通过结合姿态控制器，可以将限位控制器退化成只需要控制一个自由度即工具坐标系的Z轴，减少了控制量，此时位置控制器给予机械臂一个工具坐标系Z轴方向的速度控制量使其远离磨抛表面直到柔顺装置位移量到达设定零点附近；
进一步地，所述姿态控制器中设定有三个对称的跨越转矩设定零点的阈值范围，以防止姿态过度重复控制导致机械臂的震颤，当力信号突破这个阈值范围，说明磨抛装置轴向与曲面法向此时不平行，姿态控制器进行控制，根据受力分析知此时磨抛装置需要顺着额外力矩的方向旋转，姿态控制器控制工具坐标系XYZ旋转方向的速度，使得磨抛装置法向趋向于曲面法向；
进一步地，所述力控制器中通过基于深度强化学习的PID控制方式对输出力进行控制，较大程度提高力控制的实时响应性能，能有效抑制磨抛过程中机械臂的振动对力信号的影响，力控制只需专注控制Z轴方向上的力即可；
进一步地，所述机械臂的全局规划路径在每个控制周期内经过三个局部控制器得到更新，并下发给机械臂工控机使其追踪更新后的路径进行磨抛作业，实现磨抛工具始终跟踪曲面轮廓以及在曲面法向上进行作业并提供恒定的磨抛力。
本发明创造的有益效果在于：
(1)将力控磨抛过程进行分层规划，采用位置、姿态、力三个局部控制器对整个磨抛过程进行调控，在不增加额外控制量的前提下，利用分层规划将高维控制转化为低维控制的优点，解决了传统整体控制器控制量过多且易受干扰导致控制鲁棒性以及快速性欠佳的难题，实现了机器人磨抛工具作业期间与复杂曲面的持续接触以及磨抛力始终处于曲面法向上；
(2)整体装置采取模块式连接，能快速地针对不同工况实现不同的磨抛方式以及对损坏零件进行更换。
附图说明
图1显示了一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置的整体平台侧视图；
图2显示了力控磨抛装置的结构示意图；
图3显示了力控抛磨装置主动机构的结构示意图；
图4显示了力控磨抛装置控制方法的硬件连接框图；
图5显示了力控磨抛装置控制方法的软件交互框图；
图6显示了力控磨抛装置在曲面上磨抛作业示意图；
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
如图1所示，本实施案例的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置，包括六轴机器臂本体1、控制器模块、视觉模块2、音圈电机主动浮动机构3、六维力传感器4、末端磨抛工具模块5。装置采用模块化分置设计，视觉模块2通过连接板201固定到机械臂末端法兰101，用以获取初步轨迹信息和定位；主动浮动机构3通过底座301固定在视觉模块连接板201下；力传感器4固定于浮动机构动子连接件302下，用以读取控制方法所需求的力信号；磨抛作业模块5固定于力传感器连接法兰401下方；控制器模块在PC中实现，采用分层规划的算法逻辑对打磨过程进行调控。
如图2所示，视觉模块2包括相机承载连接板201、深度相机202、工业相机 203、工业相机固定板204、紧固螺钉205、紧固螺栓206，在相机承载连接板201 两侧分别开设用以工业相机203侧板连接时将镜头探出的窗口、工业相机固定板 204连接螺栓光孔以及用以深度相机202背板连接的螺钉光孔，工业相机203和深度相机202分别固定在两侧，相机承载连接板201设置为阶梯板状，用以适应两个相机的拍摄焦距及拍摄角度范围要求。
如图2和图3所示音圈电机主动浮动机构3通过紧固螺栓301连接于相机承载连接板201下方，包括连接底座302、音圈电机基座303、音圈电机304、滑台板305、直线导轨306、导轨底座307、光栅尺308、光栅读头309、动子连接件 310，音圈电机304通过底座连接的方式以紧固螺栓301固定在音圈电机基座303 上，保证音圈电机的轴线与机械臂末端法兰的轴线重合，导轨底座307和直线导轨306分别固定到音圈电机基座303和滑台板305上，直线导轨306关于音圈电机307轴线对称设置，滑台板305与音圈电机304动子固结，动子连接件310固定到滑台板305上，其整体轴线与音圈电机轴线重合，光栅尺308安装在导轨底座307上，光栅读头309固结在滑台板305上，两者平行安装，读数方向与音圈电机移动方向一致；六维力传感器4安装在动子连接件310下方，传感器Z轴方向与上述轴线重合；
如图2和图3所示，末端磨抛工具模块5通过连接法兰401固定在力传感器下方，末端磨抛工具采用气动马达驱动式，主轴末端开设固定销孔，磨具503通过套筒501和销502固定在末端，使得末端磨具具有可替换性，满足复杂曲面加工不同加工需求打磨方式；
如图6所示，一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置的控制方法的算法流程为：通过双目视觉模块生成磨抛区域的点云模型并将其可视化到上位机，全局规划器根据上位机中手动框选的磨抛区域或者全局打磨模式来进行磨抛路径的规划，为补偿复杂曲面点云模型的粗精准性，控制器分别通过位置、姿态、力三个局部控制对全局路径进行优化，并比较实际磨抛力和期望磨抛力大小以及三个力矩信号的大小来决定在周期内是否还需要对力控抛磨过程进行优化；
具体步骤如下：
步骤1，基础工作准备，进行基于双目视觉的手眼标定，确定磨抛工具TCP 方式下工具坐标系，对力信号进行处理工作，第一是对采集的力信号进行卡尔曼滤波处理，第二是对力传感器下方连接磨抛工具进行重力补偿，机械臂工控机给上位机发送的是末端工具坐标系的四元数姿态信息，重力补偿通过公式(1)-(5) 进行，如下：
其中，FxC、FyC、FzC等分别为补偿后的力信号，Fx、Fy、Fz等分别为滤波后力信号，Gx等为重力在工具质心坐标系的分量，Lx等为工具质心的坐标，
为工具质心坐标系到基坐标系的变换矩阵，q0等表示末端工具坐标系的姿态四元数，α等表示工具坐标系绕基坐标系的各个轴的旋转角度；
进一步地，可以整体结构不改变的情况下通过改变工具坐标系Z轴完成端磨、角磨等打磨方式的变化，力信号添加工具坐标系和力传感器坐标系的映射处理；
优选地，采用工具坐标系Z轴和力传感器Z轴重合的方法以及端磨方式；
步骤2，全局信息处理，信息交互如图5所示，机械臂移动到待磨抛区域上方后，双目视觉模块2将采集待磨抛区域的表面深度点云信息以及RGB图像信息，并通过匹配算法将RGB图和点云图进行像素点匹配可视化在上位机软件GUI 窗口中，通过设定局部磨抛模式框选磨抛区域或者全局磨抛模式，上位机对设定磨抛区域进行工字型磨抛全局路径规划，并将路径信息发送给机械臂工控机，机械臂采用基于位置的速度控制方式，其将以速度为控制量，位置为反馈量，对速度设定上限阈值，速度以梯形曲线方式变化，此所述控制方式能够更加柔顺地实现磨抛过程。
步骤3，实时力控磨抛，信息交互如图5所示，开始磨抛后，打磨磨抛工具按照全局规划的路径执行，由于环境点云存在一定的误差并且打磨磨抛力最好是实施在曲面的法向方向上，通过限位控制器、姿态控制器、接触力控制器三个局部控制器对磨抛过程进行调控对整个过程进行调控；
进一步地，磨抛过程中当末端柔顺装置从零点向近机械臂末端法兰运动时，由精度能达到1um的光栅传感器读取位移量，若行程到达设定的位移阈值，将触发限位控制，限位控制器通过结合姿态控制器，可以将限位控制器退化成只需要控制一个自由度即工具坐标系的Z轴，减少了控制量，此时位置控制器给予机械臂一个工具坐标系Z轴方向的速度控制量使其远离磨抛表面直到柔顺装置位移量到达设定零点附近；
进一步地，姿态控制器中设定有三个对称的跨越转矩设定零点的阈值范围，以防止姿态过度重复控制导致机械臂的震颤，当力信号突破这个阈值范围，说明磨抛装置轴向与曲面法向此时不平行，姿态控制器进行控制，根据受力分析知此时磨抛装置需要顺着额外力矩的方向旋转，姿态控制器控制工具坐标系XYZ旋转方向的速度，使得磨抛装置法向趋向于曲面法向；
进一步地，力控制器中通过基于深度强化学习的PID控制方式对输出力进行控制，较大程度提高力控制的实时响应性能，能有效抑制磨抛过程中机械臂的振动对力信号的影响，力控制只需专注控制Z轴方向上的力即可；
进一步地，机械臂的全局路径在每个控制周期内经过三个局部控制器得到更新，并下发给机械臂工控机使其追踪更新后的路径进行磨抛作业，实现磨抛工具始终跟踪曲面轮廓以及在曲面法向上进行作业并提供恒定的磨抛力。
本发明所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，一方面，通过主动浮动机构的配置将力控磨抛过程进行分层规划，在机械结构层面上将力控制以及位置控制进行了解耦，能够有效提高整个控制系统的鲁棒性以及力控制的精度。
另一方面，整体装置采取模块式连接，能够根据不同曲面的打磨要求配备不同的磨抛工具以及浮动机构。十分适用于各种复杂曲面不同精度不同质量要求打磨作业。
综上，一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法实现了高鲁棒性，高适应性及高质量的复杂曲面自动化打磨作业。为复杂曲面的机器人力控磨抛装置系及控制方法的升级提供了新思路。上面结合附图对本发明的实例进行了描述，但本发明不局限于上述具体的实施方式，上述的具体实施方式仅是示例性的，不是局限性的，任何不超过本发明权利要求的发明创造，均在本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：装置包括机器臂本体、控制器模块、视觉模块、主动浮动机构、力传感器、末端磨抛工具模块。装置采用模块化分置设计，所述视觉模块通过连接板固定到机械臂末端，用以获取曲面磨抛作业的初步轨迹信息和定位；所述主动浮动机构通过底座固定在视觉模块连接板下；所述力传感器固定于浮动机构动子连接件下，用以读取控制方法所需求的力信号；所述末端磨抛工具模块固定于力传感器连接法兰下方，末端磨具具备可装卸性，可满足复杂曲面的不同打磨加工需求；所述控制器模块在PC中实现，采用分层规划的算法逻辑对打磨过程进行调控；
所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置的控制方法，其特征在于，通过视觉模块生成磨抛区域的点云模型并将其可视化到上位机，全局规划器根据上位机中手动框选的磨抛区域或者设置全局打磨模式来进行磨抛路径的规划，磨抛过程中控制器将分别通过位置、姿态、力三个局部控制器对全局路径进行优化，机械臂采用基于位置的速度控制、电机采用电流控制、实现对复杂曲面轮廓的跟踪以及法向恒力磨抛；具体包括以下步骤：
步骤1：基础工作准备，进行基于视觉的手眼标定，确定磨抛工具TCP方式下工具坐标系，对力信号进行处理工作，第一是对采集的力信号进行滤波处理，第二是对力传感器下方连接磨抛工具进行重力补偿；
步骤2：全局信息处理，机械臂移动到待磨抛区域上方，视觉模块将采集待磨抛区域的表面深度点云信息以及RGB图像信息，并通过匹配算法将RGB图和点云图进行像素点匹配可视化在上位机软件GUI窗口中，通过设定局部磨抛模式框选磨抛区域或者全局磨抛模式，上位机对设定磨抛区域进行磨抛全局路径规划，并将路径信息发送给机械臂驱动，机械臂采用基于位置的速度控制方式，其以速度为控制量，位置为反馈量，对速度设定上限阈值，速度以梯形曲线方式变化，此所述控制方式能够更加柔顺地实现磨抛过程；
步骤3：实时力控磨抛，开始磨抛后，磨抛工具按照全局规划路径执行磨抛作业轨迹，并通过限位控制器、姿态控制器、接触力控制器三个局部控制器对磨抛过程进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：
步骤1中可以自主设定磨抛方式，调整工具坐标系Z轴即力控制的方向实现端磨、角磨等磨抛方式，并相应地添加末端工具坐标系和力传感器坐标系的力映射处理以及进行具体步骤中各控制器阈值的改变。
3.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：
所述限位控制器通过结合姿态控制器，可以将限位控制器退化成只需要控制一个自由度即工具坐标系的Z轴，减少了控制量，此时位置控制器给予机械臂一个工具坐标系Z轴方向的速度控制量使其远离磨抛表面直到柔顺装置位移量到达设定零点附近。
4.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：
所述姿态控制器中设定有三个对称的跨越转矩设定零点的阈值范围，以防止姿态过度重复控制导致机械臂的震颤，当力信号突破这个阈值范围，说明磨抛装置轴向与曲面法向此时不平行，姿态控制器进行控制，根据受力分析知此时磨抛装置需要顺着额外力矩的方向旋转，姿态控制器控制工具坐标系XYZ旋转方向的速度，使得磨抛装置法向趋向于曲面法向。
5.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：
所述力控制器中通过基于深度强化学习的PID控制方式对输出力进行控制，较大程度提高力控制的实时响应性能，能有效抑制磨抛过程中机械臂的振动对力信号的影响，力控制只需专注控制Z轴方向上的力即可。
6.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：
所述机械臂的全局规划路径在每个控制周期内经过三个局部控制器得到更新，并下发给机械臂工控机使其追踪更新后的路径进行磨抛作业，实现磨抛工具始终跟踪曲面轮廓以及在曲面法向上进行作业并提供恒定的磨抛力。
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