CN117400334A - 一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，本发明属于汽车板簧切割领域，包括：获取玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据；对所述倒角点位三维数据进行处理，得到稳定三维数据；基于所述稳定三维数据，计算得到初始姿态角；基于所述初始姿态角，得到机器人的位姿数据，所述位姿数据包括每一个点位机器人的姿态角；基于所述位姿数据，完成切割汽车板簧倒角。本发明技术方案相比于人工示教，机器人姿态调整时间大大缩短，倒角效率高；同时本发明运行环境要求低，主要算法均自主设计完成，耗费计算资源较少，符合工厂环境。

Description

一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法

技术领域

本发明属于汽车板簧切割技术领域，尤其涉及一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法。

背景技术

近年来，随着汽车工业的蓬勃发展，我国汽车保有量也在不断增加，对于汽车的各种部件要求也不断提高，在汽车整体的结构中，汽车板簧的主要作用是把车架与车桥用悬挂的形式连接在一起，裸露在车架与车桥之间，承受车轮对车架的载荷冲击，消减车身的剧烈振动，保持车辆行驶的平稳性和对不同路况的适应性，是汽车的重要组件。玻璃纤维复合材料板簧具有重量轻，强度高的特点，随着汽车行业的发展逐渐受到大量应用。在板簧制造过程中,为了去除零件上因机加工产生的毛刺，也为了便于零件装配，所以需要对零件进行倒角操作。

针对玻璃纤维复合材料汽车板簧，目前现有的倒角方式主要是有两种，一种是人工倒角法，一种是机器人示教倒角法。人工倒角法指的是工人使用倒角工具对板簧进行倒角。机器人示教倒角法指的是，通过人为示教几个机器人需要经过的点位，使得机器人能够按照设置好的轨迹进行倒角操作。

但是，现有技术中，人工倒角法的缺点是：精确度差，人工进行倒角可能会出现一些细小的缺陷，存在一定的隐患；效率低，人工进行倒角的过程中需要很长时间，不如机器人示教倒角；容易对人体造成伤害，玻璃纤维碎屑细小且透明，在加工过程中会刺入工人的皮肤且难以清除。

机器人示教倒角的缺点是：精确度与效率无法兼顾，如果追求较高的精确度，就需要人工示教足够多的点，效率会降低，如果追求效率，示教的点位较少会使得精确度下降；不具备自适应性，由于板簧之间的细微差距，每次切割都需要重新示教，大大地增加了机器人操作人员的工作强度。

发明内容

本发明提出了一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，包括：

获取玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据；

对所述倒角点位三维数据进行处理，得到稳定三维数据；

基于所述稳定三维数据，计算得到初始姿态角；

基于所述初始姿态角，得到机器人的位姿数据，所述位姿数据包括每一个点位机器人的姿态角；

基于所述位姿数据，完成切割汽车板簧倒角。

优选地，获取玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据的过程包括：

将激光线扫设备的激光照射到玻璃纤维复合材料的汽车板簧边缘，得到初始点位；

基于所述激光线扫设备，建立倒角点位在世界坐标系下的三维坐标；

基于所述三维坐标，将机器人向倒角终点水平移动，直至机器人到达倒角终点，得到玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据。

优选地，对所述倒角点位三维数据进行处理的过程包括：

基于滑动窗口法，对所述倒角点位三维数据进行异常点检测，若出现异常点，则基于线性插值法对所述异常点进行修正，得到稳定三维数据。

优选地，计算得到初始姿态角的过程包括：

获取刀具顶端向下与水平面垂直时的原始姿态角，基于所述原始姿态角，计算得到第一旋转矩阵，所述第一旋转矩阵代表刀具顶端向下与水平面垂直时的机器人姿态；

基于所述第一旋转矩阵，计算得到第二旋转矩阵，所述第二旋转矩阵代表刀具顶端向下与板簧平面垂直时的机器人姿态；

基于所述第二旋转矩阵，计算得到初始姿态角。

优选地，所述第一旋转矩阵的计算公式为：

其中w₀为刀具顶端向下与水平面垂直时的坐标系绕原坐标系x轴旋转的角度，p₀为刀具顶端向下与水平面垂直时的坐标系绕原坐标系y轴旋转的角度，r₀为刀具顶端向下与水平面垂直时的坐标系绕原坐标系z轴旋转的角度，R₀为刀具顶端向下与水平面垂直时的旋转矩阵，用来表示刀具顶端向下与水平面垂直时的机器人姿态。

优选地，第二旋转矩阵的计算公式为：

其中，y₁，y₂为收集到的第一个点与第二个点的y轴坐标值，z₁，z₂为收集到的第一个点与第二个点的z轴坐标值，θ₁为当前的刀具与水平面的夹角，R₀为第一旋转矩阵。

优选地，初始姿态角的计算公式为：

令

其中，w₁为初始姿态对应的坐标系绕原坐标系x轴旋转的角度，p₁为初始姿态对应的坐标系绕原坐标系y轴旋转的角度，r₁为初始姿态对应的坐标系绕原坐标系z轴旋转的角度，m_1，1为R1矩阵中第一行第一列的元素，m_1，2为R1矩阵中第一行第二列的元素，m_1，3为R1矩阵中第一行第三列的元素，m_2，1为R1矩阵中第二行第一列的元素，m_2，2为R1矩阵中第二行第二列的元素，m_2，3为R1矩阵中第二行第三列的元素，m_3，1为R1矩阵中第三行第一列的元素，m_3，2为R1矩阵中第三行第二列的元素，m_3，3为R1矩阵中第三行第三列的元素。

优选地，得到机器人的位姿数据之前还包括：

基于所述初始姿态角，计算机器人相对于初始姿态在坐标系x轴方向上的旋转角度；

对所述旋转角度进行异常检测与修正，得到每个点的点位旋转角度；

基于拟合函数，采用非线性最小二乘法对点位旋转角度进行拟合，得到角度最优曲线。

优选地，得到机器人的位姿数据的过程包括：

基于角度最优曲线，得到点位旋转矩阵；

基于所述点位旋转矩阵，计算得到点位姿态矩阵；

基于所述点位姿态矩阵，计算得到机器人的位姿数据。

优选地，完成切割汽车板簧倒角的过程包括：

将所述位姿数据通过上位机发送给机器人，机器人根据每个点的位姿数据进行移动，完成切割汽车板簧倒角。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提供了一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，基于激光线扫设备获取的倒角点三维数据，定位精确度远超人工倒角法和手动示教法，相比于人工示教，本发明技术方案中机器人姿态调整时间大大缩短，倒角效率高；

本发明技术方案运行环境要求低，主要算法均自主设计完成，耗费计算资源较少，符合工厂环境。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的算法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

本实施例中提供一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，包括：

获取玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据；

对所述倒角点位三维数据进行处理，得到稳定三维数据；

基于所述稳定三维数据，计算得到初始姿态角；

基于所述初始姿态角，得到机器人的位姿数据，所述位姿数据包括每一个点位机器人的姿态角；

基于所述位姿数据，完成切割汽车板簧倒角。

如图1所示，具体包括如下步骤：

一，数据收集阶段

1.使机器人移动到初始点位，激光线扫设备的激光照射到板簧边缘。

2.通过激光线扫设备，获取倒角点位在世界坐标系下的三维坐标并存储在上位机。

3.使机器人向倒角终点水平移动一段距离l。

4.重复以上步骤2,3，直至机器人到达倒角终点。

二，数据处理阶段

5.对于收集到的数据进行异常点检测与修正。

对于收集到的数据，使用滑动窗口法，对于每个窗口中的数据计算数据的均值以及标准差，将窗口内与均值差异大于阈值的数据点标记为异常点。之后对于每个异常点使用线性插值法进行修正。

6.计算初始姿态角。

倒角时要保证倒角过程中的刀具与板簧表面保持垂直。姿态求解过程如下：

首先获取当前的刀具与水平面的夹角θ₁，θ₁的求解公式如下：

其中，y₁，y₂为收集到的第一个点与第二个点的y轴坐标值，z₁，z₂为收集到的第一个点与第二个点的z轴坐标值。

(1)根据刀具顶端向下与水平面垂直时的姿态角计算对应的旋转矩阵R₀。其中w₀代表了刀具顶端向下与水平面垂直时对应的坐标系绕原坐标系x轴旋转的角度，p₀是代表了刀具顶端向下与水平面垂直时对应的坐标系绕原坐标系y轴旋转的角度，r₀是代表了刀具顶端向下与水平面垂直时对应的坐标系绕原坐标系z轴旋转的角度。R₀是刀具顶端向下与水平面垂直时的旋转矩阵，用来表示刀具顶端向下与水平面垂直时的机器人姿态，R₀计算公式如下：

(2)根据刀具与水平面垂直时对应的旋转矩阵R₀，计算出初始姿态对应的矩阵R₁。R₁是刀具顶端向下与板簧平面垂直时的旋转矩阵，用来表示机器人的初始姿态，R₁计算公式如下：

(3)根据初始姿态的旋转矩阵R₁，计算出初始姿态的姿态角公式如下：

令

7.对于每个点P_i，计算机器人在该点相对于初始姿态在坐标系x轴方向上应该旋转的角度θ_i。公式如下：

8.对计算完成的角度数据进行异常检测与修正。

对于角度数据，使用滑动窗口法，对于每个窗口中的数据计算数据的均值以及标准差，将窗口内与均值差异大于阈值的数据点标记为异常点。之后对于每个异常点使用线性插值法进行修正。

9.根据角度数据计算拟合曲线。计算完成后对每个点的角度进行更新。

角度的误差可能会引起机器人运动的失误，因此我们需要对于数据进行拟合，求出拟合后的曲线后，就可以使用拟合曲线的表达式去计算每个点的角度，从而对其进行更新。

拟合曲线使用的具体算法是curve_fit算法，curve_fit算法的原理是使用非线性最小二乘法将函数f进行拟合，寻找到最优曲线。本次使用的拟合函数表达式为

f(x)＝C*arctan(ax+b)+d

10.计算每一个点位机器人的姿态角。

(1)根据第i个点对应的旋转矩阵R_i，计算出第i+1个点对应的旋转矩阵R_i+1。其中R_i是刀具顶端在第i个点位时的旋转矩阵，用来表示第i个点位的机器人姿态，公式如下：

(2)根据第i+1个点对应的旋转矩阵R_i+1，计算出第i+1个点对应的姿态角公式如下：

令

11.将以上获取的位姿数据通过上位机发送给机器人，机器人根据每个点的位姿数据进行移动，完成倒角。

本实施例有益效果：

本发明技术方案定位准确，基于激光线扫设备获取的倒角点三维数据，精确度远超人工倒角法和手动示教法；

本发明运行环境要求低，主要算法均自主设计完成，耗费计算资源较少，符合工厂环境；

本发明倒角效率高，相比于人工示教，时间大大缩短；

本发明适应性好，使用异常检测和修正的方式，对于数据中的异常点能够进行及时的发现和修正，对于不同的板簧相比于人工示教具有更强的适应性。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据；

对所述倒角点位三维数据进行处理，得到稳定三维数据；

基于所述稳定三维数据，计算得到初始姿态角；

基于所述初始姿态角，得到机器人的位姿数据，所述位姿数据包括每一个点位机器人的姿态角；

基于所述位姿数据，完成切割汽车板簧倒角。

2.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，获取玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据的过程包括：

将激光线扫设备的激光照射到玻璃纤维复合材料的汽车板簧边缘，得到初始点位；

基于所述激光线扫设备，建立倒角点位在世界坐标系下的三维坐标；

基于所述三维坐标，将机器人向倒角终点水平移动，直至机器人到达倒角终点，得到玻璃纤维复合材料汽车板簧的倒角点位三维数据。

3.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，对所述倒角点位三维数据进行处理的过程包括：

基于滑动窗口法，对所述倒角点位三维数据进行异常点检测，若出现异常点，则基于线性插值法对所述异常点进行修正，得到稳定三维数据。

4.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，计算得到初始姿态角的过程包括：

获取刀具顶端向下与水平面垂直时的原始姿态角，基于所述原始姿态角，计算得到第一旋转矩阵，所述第一旋转矩阵代表刀具顶端向下与水平面垂直时的机器人姿态；

基于所述第一旋转矩阵，计算得到第二旋转矩阵，所述第二旋转矩阵代表刀具顶端向下与板簧平面垂直时的机器人姿态；

基于所述第二旋转矩阵，计算得到初始姿态角。

5.根据权利要求4所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，所述第一旋转矩阵的计算公式为：

其中w₀为刀具顶端向下与水平面垂直时坐标系绕原坐标系x轴旋转的角度，p₀为刀具顶端向下与水平面垂直时的坐标系绕原坐标系y轴旋转的角度，r₀为刀具顶端向下与水平面垂直时的坐标系绕原坐标系z轴旋转的角度，R₀为刀具顶端向下与水平面垂直时的旋转矩阵，用来表示刀具顶端向下与水平面垂直时的机器人姿态。

6.根据权利要求4所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，所述第二旋转矩阵的计算公式为：

其中，y₁，y₂为收集到的第一个点与第二个点的y轴坐标值，z₁，z₂为收集到的第一个点与第二个点的z轴坐标值，θ₁为当前的刀具与水平面的夹角，R₀为第一旋转矩阵。

7.根据权利要求4所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，所述初始姿态角的计算公式为：

令

其中，w₁为初始姿态对应的坐标系绕原坐标系x轴旋转的角度，p₁为初始姿态对应的坐标系绕原坐标系y轴旋转的角度，r₁为初始姿态对应的坐标系绕原坐标系z轴旋转的角度，m_1，1为R1矩阵中第一行第一列的元素，m_1，2为R1矩阵中第一行第二列的元素，m_1，3为R1矩阵中第一行第三列的元素，m_2，1为R1矩阵中第二行第一列的元素，m_2，2为R1矩阵中第二行第二列的元素，m_2，3为R1矩阵中第二行第三列的元素，m_3，1为R1矩阵中第三行第一列的元素，m_3，2为R1矩阵中第三行第二列的元素，m_3，3为R1矩阵中第三行第三列的元素。

8.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，得到机器人的位姿数据之前还包括：

基于所述初始姿态角，计算机器人相对于初始姿态在坐标系x轴方向上的旋转角度；

对所述旋转角度进行异常检测与修正，得到每个点的点位旋转角度；

基于拟合函数，采用非线性最小二乘法对点位旋转角度进行拟合，得到角度最优曲线。

9.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，得到机器人的位姿数据的过程包括：

基于角度最优曲线，得到点位旋转矩阵；

基于所述点位旋转矩阵，计算得到点位姿态矩阵；

基于所述点位姿态矩阵，计算得到机器人的位姿数据。

10.根据权利要求1所述的玻璃纤维复合材料汽车板簧切割机器人姿态调整方法，其特征在于，完成切割汽车板簧倒角的过程包括：

将所述位姿数据通过上位机发送给机器人，机器人根据每个点的位姿数据进行移动，完成切割汽车板簧倒角。