CN115284317A - 一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法，本方法首先根据实际工况进行虚拟夹具的创建，确定出符合实际加工需求的虚拟夹具形状；在虚拟夹具形状确定之后的基础上，需要对虚拟夹具位姿进行变换；再将虚拟夹具与力反馈主手间的工作空间进行匹配；然后对虚拟夹具与力反馈主手进行碰撞检测，从而对反馈力进行计算；最后，在虚拟夹具为操作者在空间中提供磨削标尺的情况下，从端机器人将按照缩放比例在空间中复现夹具所约束的区域，即处于夹具禁止区域的铸件将被保护，而其余部分被磨削清理。本发明用于解决当前大平面铸件打磨效率低、遥操作机器人无法实现曲面打磨、合模线打磨与铸件内孔打磨等问题。

Description

一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法

技术领域

本发明属于遥操作磨削机器人技术领域，具体为一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法。

背景技术

铸造广泛应用于汽车、机床、轨道交通等基础工业领域，在我国制造业中占据非常重要地位,铸件后处理是铸件生产过程中首要的工序，主要指使用磨削工具去除铸件浇注后的表面材料残留，如去除飞边毛刺和浇冒口残余等。良好的铸件后处理工序可以减少铸件机加工余量，避免刀具磨损，使工件易于定位和装夹，降低后续精密加工成本。

对于大型铸件，95％以上的企业采用人工锤击配合手持砂轮机进行磨削。人工作业方式存在工作效率低、劳动强度大的问题，同时打磨工人面临工伤与尘肺病的威胁，打磨出的产品在质量和一致性方面难以保证，所以遥操作机器人应运而生代替人工进行磨削加工，但当前遥操作机器人对于大平面铸件加工效率较低且存在无法实现曲面打磨、合模线打磨与铸件内孔打磨等问题。

发明内容

本发明方法克服了已有技术的缺点，提供一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法，以解决当前遥操作机器人对于大平面铸件加工效率较低且存在无法实现曲面打磨、合模线打磨与铸件内孔打磨等问题。

本发明一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法，包括以下步骤：

步骤一：在CHAI3D软件中调用虚拟环境显示模块功能，所述的虚拟环境显示模块功能采用FreeGLUT开源框架渲染，通过框架所提供的视觉空间、摄像机、渲染切面和光源等元素构造场景，显示场景中的虚拟夹具及力反馈主手末端的图像。

步骤二：在步骤一中所确定的显示环境中根据打磨铸件的实际工况不同创建虚拟夹具的形状，具体步骤如下：

第一步，当涉及打磨铸件平面与铸件浇冒口残留时，创建平面型虚拟夹具，在空间中创建Mesh对象，设置对象位置与姿态参数，设置材料刚度为0.8最大刚度，调用CHAI3D提供的像素导入函数，将平面图像导入夹具显示空间，并将像素高度参数设置为0，进行网格划分并创建图像Mesh。

第二步，当涉及打磨包含曲面的铸件，创建曲面型虚拟夹具，在空间中创建Mesh图像并进行网格划分，在平面型虚拟夹具的基础上添加像素高度参数。

第三步，当涉及打磨铸件合模线，可以创建立方体虚拟夹具，为立方体铸件提供保护，凹立方体夹具用于铸件合模线打磨，凸立方体夹具用于保护铸件表面，以立方体形状构造Mesh图像并进行网格划分。

第四步，当涉及打磨复杂铸件内孔时，创建圆柱型虚拟夹具，使用CHAI3D提供的基础图形构造函数Pipe类对象，设置圆柱内外面半径与圆柱高度，划分网格后生成圆柱型虚拟夹具。

步骤三：在虚拟夹具形状确定之后，对虚拟夹具位姿进行变换，虚拟夹具以显示空间零点为坐标原点参考，调用虚拟夹具位置与姿态调整函数实现虚拟夹具在空间中的移动，移动单位为mm。对于三维曲面型夹具，夹具中心为平面几何中心，对于圆柱型虚拟夹具，其夹具中心为圆柱底面圆心。

步骤四：将步骤一得到的虚拟夹具与力反馈主手进行工作空间的匹配，提出一种按比例缩放的工作空间匹配方法。主手运动与缩放比例相乘后映射到虚拟空间，通过调整缩放比例适应大小不同的虚拟夹具。

步骤五：对虚拟夹具与力反馈主手末端之间进行碰撞检测，虚拟夹具碰撞检测算法采用空间域碰撞检测算法中的轴对齐包围盒(AABB包围盒)，具体步骤为：

第一步，对AB的根节点进行相交测试，不相交则碰撞检测结束，相交，则进行下一步。

第二步，对根节点的所有子节点进行相交测试，丢弃不相交部分，对相交的字树继续执行本步操作，直至所有子节点均不相交或检测到多边形网格结束。

步骤六：对反馈力进行计算，采用Ruspini和Khatib提出的“finger-proxy”算法实现反馈力的计算，具体步骤为：

第一步，设定物理模型B与“代理”模型A，物理模型代表当前操作的末端的实际位置，“代理”模型为虚拟磨具，将被网格阻挡。

第二步，反馈力计算采用弹簧阻尼系统，在物理模型穿透虚拟夹具表面时，“代理”模型与物理模型分离，在打磨过程中，虚拟环境向力反馈主手发送反馈力的大小与方向，力反馈主手将反馈力反馈给操作者。

步骤七：操作人员在力觉虚拟夹具磨削标尺的辅助下，对力反馈主手进行操作，操作末端靠近夹具，夹具将阻挡“代理”目标穿透夹具，将“代理”点在空间中的位置发送给从端机器人，从端机器人对铸件实现精确磨削。

本发明的有益效果是加工精度高，安全性高，能够在实际工况下对铸造件进行磨削加工，符合实际需求，同时在虚拟夹具的辅助下，能够解决大平面铸件加工效率较低的问题以及实现曲面打磨、合模线打磨与铸件内孔打磨的加工需求。

附图说明

图1为本发明中的一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法流程图；

图2为碰撞检测算法AABB包围盒示意图；

图3为弹簧-阻尼模型示意图；

图3中：1-虚拟夹具表面；2-阻尼器；3-弹簧；

具体实施方式

一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在CHAI3D软件中调用虚拟环境显示模块功能，所述的虚拟环境显示模块功能采用FreeGLUT开源框架渲染，通过框架所提供的视觉空间、摄像机、渲染切面和光源等元素构造场景，显示场景中的虚拟夹具及力反馈主手末端的图像。

步骤二：在步骤一中所确定的显示环境中根据打磨铸件的实际工况不同创建虚拟夹具的形状，具体步骤如下：

第一步，当涉及打磨铸件平面与铸件浇冒口残留时，创建平面型虚拟夹具，在空间中创建Mesh对象，设置对象位置与姿态参数，设置材料刚度为0.8最大刚度，调用CHAI3D提供的像素导入函数，将平面图像导入夹具显示空间，并将像素高度参数设置为0，进行网格划分并创建图像Mesh。

第二步，当涉及打磨包含曲面的铸件，创建曲面型虚拟夹具，在空间中创建Mesh图像并进行网格划分，在平面型虚拟夹具的基础上添加像素高度参数，高度计算公式为：

式中，V_H为夹具像素高度，symb为夹具凹凸变量，Vr为夹具曲率半径，px和py为当前元素相对于夹具中心的坐标。

第三步，当涉及打磨铸件合模线，可以创建立方体虚拟夹具，为立方体铸件提供保护，凹立方体夹具用于铸件合模线打磨，凸立方体夹具用于保护铸件表面，以立方体形状构造Mesh图像并进行网格划分。

第四步，当涉及打磨复杂铸件内孔时，创建圆柱型虚拟夹具，使用CHAI3D提供的基础图形构造函数Pipe类对象，设置圆柱内外面半径与圆柱高度，划分网格后生成圆柱型虚拟夹具。

步骤三：在虚拟夹具形状确定之后，对虚拟夹具位姿进行变换，虚拟夹具以显示空间零点为坐标原点参考，调用虚拟夹具位置与姿态调整函数实现虚拟夹具在空间中的移动，移动单位为mm。对于三维曲面型夹具，夹具中心为平面几何中心，对于圆柱型虚拟夹具，其夹具中心为圆柱底面圆心。

步骤四：将步骤一得到的虚拟夹具与力反馈主手进行工作空间的匹配，提出一种按比例缩放的工作空间匹配方法。主手运动与缩放比例相乘后映射到虚拟空间，通过调整缩放比例适应大小不同的虚拟夹具。所述的映射过程公式为：

P₁＝V_p·P

式中，P₁与P为虚拟空间操作末端位置与力反馈主手操作末端位置的绝对位置矢量，V_p为运动缩放比例。

步骤五：对虚拟夹具与力反馈主手末端之间进行碰撞检测，虚拟夹具碰撞检测算法采用空间域碰撞检测算法中的轴对齐包围盒(AABB包围盒)，具体步骤为：

第一步，对AB的根节点进行相交测试，不相交则碰撞检测结束，相交，则进行下一步。

第二步，对根节点的所有子节点进行相交测试，丢弃不相交部分，对相交的字树继续执行本步操作，直至所有子节点均不相交或检测到多边形网格结束。

步骤六：对反馈力F’_t进行计算，采用Ruspini和Khatib提出的“finger-proxy”算法实现反馈力F’_t的计算，具体步骤为：

第一步，设定物理模型B与“代理”模型A，物理模型代表当前操作的末端的实际位置，“代理”模型为虚拟磨具，将被网格阻挡。

第二步，反馈力计算采用弹簧阻尼系统，在物理模型穿透虚拟夹具表面时，“代理”模型与物理模型分离，在打磨过程中，虚拟环境向力反馈主手发送反馈力F’_t的大小与方向，力反馈主手将反馈力F’_t反馈给操作者，其中：

F’_t＝-F_t

F_t＝K·x_AB+D·v_AB

式中，F’_t为反馈力，F_t为A的受力，K为弹簧弹性系数，D为阻尼系数，x_AB为A指向B的方向矢量，v_AB为物理模型当前运动速度。

步骤七：操作人员在力觉虚拟夹具磨削标尺的辅助下，对力反馈主手进行操作，操作末端靠近夹具，夹具将阻挡“代理”目标穿透夹具，将“代理”点在空间中的位置发送给从端机器人，从端机器人对铸件实现精确磨削。

Claims (1)

1.一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法，其特征在于包括以下步骤：

本发明一种基于力觉虚拟夹具辅助的遥操作机器人打磨方法，包括以下步骤：

步骤一：在CHAI3D软件中调用虚拟环境显示模块功能，所述的虚拟环境显示模块功能采用FreeGLUT开源框架渲染，通过框架所提供的视觉空间、摄像机、渲染切面和光源等元素构造场景，显示场景中的虚拟夹具及力反馈主手末端的图像。

步骤二：在步骤一中所确定的显示环境中根据打磨铸件的实际工况不同创建虚拟夹具的形状，具体步骤如下：

第一步，当涉及打磨铸件平面与铸件浇冒口残留时，创建平面型虚拟夹具，在空间中创建Mesh对象，设置对象位置与姿态参数，设置材料刚度为0.8最大刚度，调用CHAI3D提供的像素导入函数，将平面图像导入夹具显示空间，并将像素高度参数设置为0，进行网格划分并创建图像Mesh。

第二步，当涉及打磨包含曲面的铸件，创建曲面型虚拟夹具，在空间中创建Mesh图像并进行网格划分，在平面型虚拟夹具的基础上添加像素高度参数。

第三步，当涉及打磨铸件合模线，可以创建立方体虚拟夹具，为立方体铸件提供保护，凹立方体夹具用于铸件合模线打磨，凸立方体夹具用于保护铸件表面，以立方体形状构造Mesh图像并进行网格划分。

第四步，当涉及打磨复杂铸件内孔时，创建圆柱型虚拟夹具，使用CHAI3D提供的基础图形构造函数Pipe类对象，设置圆柱内外面半径与圆柱高度，划分网格后生成圆柱型虚拟夹具。

步骤三：在虚拟夹具形状确定之后，对虚拟夹具位姿进行变换，虚拟夹具以显示空间零点为坐标原点参考，调用虚拟夹具位置与姿态调整函数实现虚拟夹具在空间中的移动，移动单位为mm。对于三维曲面型夹具，夹具中心为平面几何中心，对于圆柱型虚拟夹具，其夹具中心为圆柱底面圆心。

步骤四：将步骤一得到的虚拟夹具与力反馈主手进行工作空间的匹配，提出一种按比例缩放的工作空间匹配方法。主手运动与缩放比例相乘后映射到虚拟空间，通过调整缩放比例适应大小不同的虚拟夹具。

步骤五：对虚拟夹具与力反馈主手末端之间进行碰撞检测，虚拟夹具碰撞检测算法采用空间域碰撞检测算法中的轴对齐包围盒(AABB包围盒)，具体步骤为：

第一步，对AB的根节点进行相交测试，不相交则碰撞检测结束，相交，则进行下一步。

第二步，对根节点的所有子节点进行相交测试，丢弃不相交部分，对相交的字树继续执行本步操作，直至所有子节点均不相交或检测到多边形网格结束。

步骤六：对反馈力进行计算，采用Ruspini和Khatib提出的“finger-proxy”算法实现反馈力的计算，具体步骤为：

第一步，设定物理模型B与“代理”模型A，物理模型代表当前操作的末端的实际位置，“代理”模型为虚拟磨具，将被网格阻挡。

第二步，反馈力计算采用弹簧阻尼系统，在物理模型穿透虚拟夹具表面时，“代理”模型与物理模型分离，在打磨过程中，虚拟环境向力反馈主手发送反馈力的大小与方向，力反馈主手将反馈力反馈给操作者。

步骤七：操作人员在力觉虚拟夹具磨削标尺的辅助下，对力反馈主手进行操作，操作末端靠近夹具，夹具将阻挡“代理”目标穿透夹具，将“代理”点在空间中的位置发送给从端机器人，从端机器人对铸件实现精确磨削。

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