TW202235231A - 機器人協同系統及其應用和加工精度評價方法 - Google Patents

機器人協同系統及其應用和加工精度評價方法 Download PDF

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榮豐 丘
尚賢 黃
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香港商香港科能有限公司
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Abstract

本發明提供了一種機器人協同系統及其應用和加工精度評價方法，使用工件的基準作爲全域坐標，并據此對每個機器人建立對應的運動方程，實際上是建立了以工件爲恒星，多個加工機器人爲行星的多機器人協同系統，從而使得整個多機器人協同系統的每個機器人都通過工件的基準建立相應的聯繫，以滿足對複雜的不規則工件加工的需要，解决了傳統需要將工件在不同加工設備之間轉移以達至完成不同加工工序，因只需系統進行一次性的定位并建立基準即可完成全部的加工，可减少工件轉移時需要不斷更換基準所導致的繁複操作以及産生的安裝誤差，能夠縮短加工時間，降低製造成本，同時提供工件加工的精度。

Description

機器人協同系統及其應用和加工精度評價方法
本發明專利涉及一種多機械人的協同加工系統，尤其是一種採用處理對象的基準作爲全域坐標系對所有機器人建立運動模型實現協同加工的系統。
在過去的幾十年中，增材製造（AM）是重大變革的製造技術之一。快速成型和技術創新不斷增長的需求推動了增材製造的發展。爲了適應生物技術，材料科學，航空航天和醫學中預期的多種應用，已經取得了巨大的進步。對於金屬材料而言，最為普遍的的增材製造技術是粉末冶金和金屬沉積。在過去的十年中，混合製造逐步發展，整合了增材製造和减材製造，以改善獲得産品的整體質量及精度。製造時需要對工件進行固定并設定加工基準，通常是使用底板來提供基準坐標，但是由于底板的重複使用成本高昂，因此效果較差。
用于增材製造的産品設計可以形成複雜形狀和結構。可以對每個原型和産品采用定制設計，而不會增加製造成本。當增材製造的引入醫療産品，促進了定制的發展。定制的醫療産品通常是針對特定患者的，旨在模仿生物功能和生物力學，例如密度，孔隙率，表面粗糙度和生物相容性。尤其人體骨胳，是一個複雜的系統，由大約200多個骨胳組成。特別是關節部分的骨頭幾何形狀複雜。在借助3D成像和CT掃描的獲取骨胳的數據已經取得了許多進展。這些技術的發展使得現代的人造植入物能够有效模仿人體解剖結構，並增加了兼容性并改善了患者的體驗。以便帶來良好的臨床效果，例如更好的患者依從性和更高的療效等等。
醫療用的植入物，通常需要使用各種不同的加工設備，製造過程例如包括綫切割，熱處理，機加工，拋光，雕刻，塗層，清潔和消毒等等。鑒于定制醫療産品相比標準化産品更加複雜，需要重新審視定制醫療産品的製造過程。傳統的金屬加工工藝已經很成熟，但通常傾向于大規模生産應用。通過重複的反復試驗和操作，保證了準確性，公差和可重複性即可達至使用要求。但是，定制産品的製造不能遵循相同的程序，因爲定制産品之間存在較大的差異。爲了尋求可靈活及更爲廣泛的製造平臺。需要使用具有內置參考基準設置的多機器人系統（Muli-robot System ，即MRS），以解决缺乏針對定制産品的金屬加工的工業化解决方案。
為使MRS的各個機器人之間能够相互配合完成整個加工過程，需要對其建立運動學模型，目前主要基于三種運動學模型：i）基于行爲的設計方法（behavior-based method）； ii）虛擬結構方法（virtual structure method）； iii）Leader-follower方法。
基于行爲的方法通過彼此共享機器人的姿勢來提供清晰的信息反饋，並將結構控制轉化爲每個機器人的一系列基本行爲。此方法無法建立特定的數學模型來分析整個過程，因爲它沒有提供任何有關群體行爲的數學定義。
虛擬結構方法是基于被視爲虛擬剛性結構的地層構建的。組中的每個機器人將保持相同的相對位置。
使用Leader-follower方法時，機器人充當“Leader”，而其他機器人充當“Follower”。 Leader與Follower之間的距離，相對角度是主要參數。
以上三種方法都與機器人之間的關係有關。沒有有關機器人與要生産/維修的零件之間的幾何關係的信息。在用于製造/維修的MRS中，機器人與産品之間的幾何關係至關重要。機器人根據産品規格生成工具路徑以生産産品。
針對上述現有技術的不足，本發明提供了一種用於實現不規則加工的多機器人協同系統，將整個系統的基準設置於處理對象上，并以該基準建立全域坐標系，以便成爲系統中每個活動機器人的參考點，以在每個一個後處理步驟中能夠相對于工件重新準確定位的幾何坐標，即使機器人的相應基板產生的變形而導致定位信息丟失，機械人仍可以跟踪處理對象的幾何坐標，實現多機器人協同對處理對象進行加工。
而且，本發明還提供了一種利用多機器人協同系統對不規則工件進行加工的方法，能够通過機器人建立協同的加工模型實現對不規則工件進行機械加工，以製造十分複雜形狀的醫療産品，并能够縮短加工時間，降低製造成本。
另外，本發明還提供了用于對多機械人協同系統的精度評價方法，以便用戶能够方便地實現對多機械人協同系統的整體精度進行調校及評價。
本發明通過以下技術方案實現：
多機器人協同系統，包括待處理的對象以及圍繞是設置於處理對象周圍的多個的機器人，機械人上設置相應的處理器械；處理對象設置有基準，處理器械以該基準為全域坐標系對其運動進行運動建模，具體為：
a.機械人i具有M i個運動自由度；以機械人i的內建坐標系，安裝於機器人i上的第j關節建立以下齊次變換方程： A i,j = Rotz( θ i,j) Tansz( d i,j )Transx( a i,j )Rotx( α i,j )=
Figure 02_image001
……(1) 上式中i、j及M i為自然數，
Figure 02_image003
、
Figure 02_image005
、
Figure 02_image007
及
Figure 02_image009
分別為機械臂扭角，機械臂長度，機械臂偏移距離和機械臂夾角； 從而獲得安裝於機械人i上處理器械的運動方程為：
Figure 02_image011
……(2)
b.機器人i的安裝基座I的基座坐標系與全域坐標系的位置關係建立,以下其次變換方程： A i,F=
Figure 02_image013
……(3) 上式中i為自然數，F為機器人i中的某個關節，
Figure 02_image015
、
Figure 02_image017
、
Figure 02_image019
及
Figure 02_image021
分別為某關節F相對于全域坐標系的扭角，長度，偏移距離和夾角；
c.根據機器人i的內建坐標系與安裝基座的基座坐標系的位置關係建立以下齊次變換方程： A i,I=
Figure 02_image023
……(4) 上式中分別i，I為自然數，，
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
及
Figure 02_image009
為安裝基座I相對於全局坐標系的扭角、長度、偏移距離和夾角；
d.獲得於機械人i上處理器械的相對于全域坐標的運動方程爲：
Figure 02_image031
……(5) 其中，所述鎖定裝置包括用螺絲鎖定於剛性底座上的剛性調整滑軌。
其中，所述機器人還包括用於固定處理對象的夾持機械人,所述處理對象夾持固定於設置於機器人上的夾持座上。
將多機器人協同系統應用于對不規則工件進行加工的方法，所述機器人包括切削機械人、工件夾持機械人以及冷卻機械人，將不規則的待加工工件安裝於工件夾持機器人的固定座上，切削機器人上安裝有用於對工件進行加工的刀具，冷卻機械人設有對工件進行冷卻的冷卻劑噴射裝置；首先將工件的坐標系設定爲全域坐標系，然後根據各個機器人的自有坐標與全域坐標系之間的位置關係建立相應的運動方程，通過工件的加工輪廓生成加工刀路，各個機械人分別依照加工刀路以及其相應的運動方程計算獲得各機器人自有的加工路綫，由相應的機器人控制分別控制刀具，夾持工件的固定座以及冷卻劑噴射裝置完成對待加工工件的所有加工工序。
其中，所述工件的基準爲在工件或底座表面通過三維打印形成的基準柱，以基準柱設置工件的坐標系。
其中，還設有有三維掃描儀，三維掃描儀對待加工工件進行實時掃描以獲得待加工工件的測量尺寸，並將測量尺寸與工件的加工輪廓數據進行對比，如測量尺寸超出設定的加工誤差，切削機械人根據加工誤差控制刀具對待加工工件進行加工。
其中，還包括對機器人復位的如下工作步驟： i.將標準的球形校準工件安裝至工件夾持機械人上,將復位校準用的探針安裝至切削機械人上； ii.切削機器人驅動探針與球形校準工件的不同位置接觸，并獲得多個接觸點坐標，通過接觸點坐標擬合計算球形校準工件的球心坐標； iii．將球心坐標記錄并簡練以球心坐標爲原點，X、Y及Z爲方向向量的全域坐標系。
對多機器人協同系統的加工精度評價方法，首先建立一個標準模型，該標準模型包括球體、圓柱體、參考圓柱體和基礎塊，將該標準模型作爲工件安裝于多機器人協同系統中，機器人按照標準模型設定的加工量，加工刀路及對應的運動方程計算獲得機器人的自有加工路綫，並對標準模型的球體、圓柱體以及基礎塊進行加工，獲得加工後的標準模型，最後對加工後的標準模型的尺寸進行度量，將度量獲得的數據與標準模型設定的加工量進行比對獲得多機器人協同系統的加工精度。
本發明的有益效果：使用處理對象的基準作爲全域坐標，并據此對每個機器人建立對應的運動方程，實際上是建立了以處理對象為恆星，安裝基座為行星及多個加工機器人為衛星的多機器人協同系統，從而使得整個多機器人協同系統的每個機器人都通過處理對象的基準建立相應的聯繫，以滿足對複雜的不規則對象加工的需要，解决了傳統需要將對象在不同加工設備之間轉移以達至完成不同加工工序，因只需系統進行一次性的定位并建立基準即可完成全部的加工，可減少對象轉移時需要不斷更換基準所導致的繁複操作以及產生的安裝誤差，能夠縮短加工時間，降低製造成本，同時提供對講加工的精度。本系統個可廣泛應用于不規則産品的製造中，甚至可應用于以人體作爲處理對象的醫療手術中。
下述以三組加工機器人組成的協同加工系統對醫療産品進行加工爲例爲例，對本發明專利作出詳細的說明。
機器人系統系統系統由三個不同功能的的機器人組成，每個機器人都有其特定的功能。 它們分別是切割機器人（CuR），冷却機器人（CoR）和夾持機器人（HoR）。 我們根據機器人的預期功能選擇了三種不同型號的機器人。夾持機器人在夾持臂處的最大載荷爲14 kg，最大作用距離爲820mm，以在加工過程中能夠牢牢夾持醫療産品。切割機器人（CuR）加工刀具的機械臂的最大負載爲12 kg，最長最大可達1441mm，並配有用于加工的銑削工具。 冷却機械手（CoR）機械臂的最大負載爲7 kg，最大作用範圍爲717mm，可通過在機械臂上安裝帶有CO2冷却噴嘴的噴射裝置。
如圖1所示，以上三機器人安裝在一個平面的剛性基座上。機器人之間以三角形排列布置，將待加工的醫療産品防止于剛性基座的質心位置。醫療產品以及每個機器人之間的徑向距離可以沿徑向方向進行微調，並基于以下標準和優先級：（1）將整個系統裝置的重心與質心對齊以實現穩定性；（2）每個機器人的放置距離大約小于機器人的機械臂的一半，以使機械臂能夠覆蓋加工所需的工作半徑，提供足够的伸展空間並最小化彎矩；（3）爲每個機器人提供足夠的間距，以避免/最大程度地减少機械臂的相互干涉。
除了工作基座和三個機器人外，其他設備和附件（例如二氧化碳氣體發生器，工具架等）都放置在便于取用的位置，同時避免幹擾機械臂的路徑。整個系統安裝密閉式的加工倉中，並在加工倉內形成自上而下的對流以符合ISO14644 7級空氣清潔度。
我們使用以上三機械人協同加工系統製造具有定制形狀的金屬距骨假體。距骨的外形與人類脚踝的相同。金屬距骨首先通過增材製造産生出來。 增材製造的整個零件包括距骨零件和支撑柱，如圖2所示。需要將所有支撑柱從金屬距骨整個表面分離並對金屬距骨進行表面處理達至要求的精度，才爲完成距骨的製造。
在以上的製造過程中，加工順序如下： 首先從採用切割機器完成平面銑削，目標是去除所有的支撑柱，然後對金屬距骨的表面進行球磨，旨在獲得定制形狀的金屬距骨輪廓，最後對金屬距骨表面進行拋光，獲得指定表面精度的距骨假體， 如圖2所示。
具體如何將機器人基座的基座坐標系與全域坐標系（即處理對象的坐標系）、機器人的內建坐標系與其基座的基座坐標系分別建立連接關係，下面作出詳細說明。
首先，由處理對象的坐標系建立全域坐標系，可使用現有的產品設計軟件，如AutoCAD, Mechanical等等，以AutoCAD為例，從CAD數據庫中獲取全域坐標WCS的坐標信息。WCS的坐標信息應包括以下四組信息。 i)   WCS的原點坐標=（0,0,0）。 ii)  X主軸的單位矢量，WCS=[1, 0, 0]。 iii) Y主軸的單位矢量，WCS=[0, 1, 0]。 iv) Z主軸的單位矢量WCS=[0, 0, 1]。
然後，從CAD數據庫中獲取每個機器人Z(i)的基座{(i,0)}與WCS相關的坐標信息。每個機器人基座{(i,0)}的所有坐標信息也包括以下四組信息。 i）每個機器人的基座{(i,0)}的原點在全局坐標中的坐標為Ri=(Xi,0, Yi,0, Zi,0)。 ii）每個機器人的基座{(i,0)}的中其相對於基座坐標X主軸的矢量（[a,b,c]）映射到全局坐標的X軸的矢量為Ri =[aXi,0, bXi,0, cXi,0]。 iii) 每個機器人的基座{(i,0)}的中其相對於基座坐標Y主軸的矢量（[a,b,c]）映射到全局坐標的Y軸的矢量為Ri =[aYi,0, bYi,0, cYi,0]。 iv) 每個機器人的基座{(i,0)}的中其相對於基座坐標Z主軸的矢量（[a,b,c]）映射到全局坐標的Z軸的矢量為Ri =[aZi,0, bZi,0, cZi,0]。
其中如圖3及4所示，表示了機器人內建坐標系與全局坐標系之間的位置關係。
根据Denavit-Hartenburg轉換，機器人的安裝基座的基座坐標系與全域坐標系的位置關係建立以下其次變換方程： A i,F=
Figure 02_image013
……(3)
接著，對協同加工系統的每個機器人建立運動模型。
串接式機械人由一組鏈接成鏈並通過關節連接的機械臂組成。每個機器人假設都由M個機械臂組成，這些機械臂具有M i自由度。首先，機械臂相對于其自身的坐標系進行建模，假設的每個機器人自身原點爲（0,0），且該原點位于機器人的第一機械臂的輸入關節處。
那麽運動方程的推導是基于i)德納維特·哈特堡（D-H）公式以及ii）齊次轉換。 基于D-H公式，獲得了第i個機器人上的第j關節的齊次變換方程， A i,j = Rotz( θ i,j) Tansz( d i,j )Transx( a i,j )Rotx( α i,j )=
Figure 02_image033
……(1)
從而獲得安裝於機械人i上加工器械的運動方程為：
Figure 02_image011
……(2)
將方程（1）代入方程（2），得到具有M個自由度的串接式機器人的運動方程，該機器人以其自有的坐標系爲參考，結果如下方程（6）所示。機器人的最末節的機械臂M（安裝工件或加工刀具的機械臂）相對於第一節的機械臂（與安裝基座連接的機械臂）的齊次變換矩陣，如下
Figure 02_image035
4X4矩陣n爲相對坐標系x軸對于參考坐標系的方向余弦。o矩陣爲相對坐標系y軸對于參考坐標系的方向余弦。a矩陣爲相對坐標系z軸對于參考坐標系的方向余弦。P爲相對坐標系對于參考坐標系的位置向量。
以上已經建立了安裝基座的基座坐標系與全域坐標系的位置關係的變換方程。但是每個機器人i是安裝在器對應的安裝基座I上，而且機器人i也通常也會內建坐標系，因此需要將機械人i的內建坐標系與安裝基座I的基座坐標系的位置關係建立以下齊次變換方程：
A i,I=
Figure 02_image023
……(4) 上式中分別i，I為自然數，，
Figure 02_image025
、
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
及
Figure 02_image009
為安裝基座I相對於全局坐標系的扭角、長度、偏移距離和夾角。
最後將於機械人i上加工器械的相對于全域坐標的運動方程爲：
Figure 02_image031
……(5)
將上述運動方程應用于三機械人協同加工系統，並設定三個機器人都具有6個自由度。三個機器人均具有相同的配置。連杆和關節的布置，所有軸的原始位置如圖5所示。其中6個自由度分別為J1，J2，J3，J4，J5和J6的六個旋轉軸。這六個軸J1，J2，J3，J4，J5和J6的角運動記爲θ1，θ2，θ3，θ4，θ5和θ6。在研究這三個機器人時，發明人注意到J4和J6的Z軸的旋轉軸不是基于通常文獻中使用的右手定則。爲避免這兩個軸J4和J6的符號約定不一致引起的問題，我們更改了J4和J6的符號方向。在這兩個改變之後，角位移θi的符號約定所有軸均遵循右手定則。其餘部分將使用“右手定則”。因此，θ4和θ6的方向與機器人製造商的方向是相反。J4和J6需要進行相應的轉換。
每個機器人的關節採用（R⊥R∥R⊥R⊥R⊥R）布置，如圖6所示。
下列表格給出了導出運動模型所需的機器人D-H參數。
表1  三個6自由度機器人的D-H參數
機械臂 θ i d i a i α i
1 θ 1 0 a 1 -π/2
2 θ 2- π/2 0 a 2 π
3 θ 3 0 a 3 π/2
4 θ 4 d 4 0 -π/2
5 θ 5 0 0 π/2
6 θ 6 d 6 0 0
  表2   三個6自由度機器人的關節轉動範圍
關節轉動角度 CoR HoR CuR
θ 1 340 340 340
θ 2 245 166 235
θ 3 420 383 455
θ 4 380 380 380
θ 5 250 240 360
θ 6 720 720 900
表3   三個6自由度機器人的機械臂長度（ai）和機械臂偏移距離（di）
機械臂長度 (ai)/ 偏移距離（ di ） CoR HoR CuR
mm mm mm
a 1 50 50 75
a 2 330 440 640
a 3 35 35 195
d 4 335 420 700
d 6 80 80 75
由上述方程（1）中的可以獲得每個關節的變換矩陣。 將表1中的參數代入方程式（1），以找到每個變換矩陣。 在等式（4）中獲得六個轉換矩陣，如下所示：
Figure 02_image037
Figure 02_image039
Figure 02_image041
Figure 02_image043
Figure 02_image045
Figure 02_image047
……(7)
將上述方程（5）中獲得的六個軸的變換矩陣按方程（2）所示的順序相乘，得到：
Figure 02_image049
……(8)
對于三個自由度機器人的第六機械臂相對于第一個機械臂的齊次變換矩陣為4x4矩陣，如下
Figure 02_image051
Figure 02_image053
…..(9)
n x= cosθ 6(cosθ 5(cosθ 4(cosθ 1cosθ 3sinθ 2-cosθ 1cosθ 2sinθ 3)+sinθ 1sinθ 4)+(-cosθ 1cosθ 2cosθ 3-cosθ 1sinθ 2sinθ 3)sinθ 5)+(cosθ 4sinθ 1-(cosθ 1cosθ 3sinθ 2-cosθ 1cosθ 2sinθ 3)sinθ 4)sinθ 6
n y= cos θ 6(cos θ 5(cos θ 4(cos θ 3sin θ 1sin θ 2-cos θ 2sin θ 1sin θ 3)-cos θ 1sin θ 4)+(-cos θ 2cos θ 3sin θ 1-sin θ 1sin θ 2sin θ 3)sin θ 5)+(-cos θ 1cos θ 4-(cos θ 3sin θ 1sin θ 2-cos θ 2sin θ 1sin θ 3)sin θ 4)sin θ 6
n z= cos θ 6(cos θ 4cos θ 5(cos θ 2cos θ 3+sin θ 2sin θ 3)+(cos θ 3sin θ 2-cos θ 2sin θ 3)sin θ 5)-(cos θ 2cos θ 3+sin θ 2sin θ 3)sin θ 4sin θ 6
(10)
o x= cos θ 6(cos θ 4sin θ 1-(cos θ 1cos θ 3sin θ 2-cos θ 1cos θ 2sin θ 3)sin θ 4)-(cos θ 5(cos θ 4(cos θ 1cos θ 3sin θ 2-cos θ 1cos θ 2sin θ 3)+sin θ 1sin θ 4)+(-cos θ 1cos θ 2cos θ 3-cos θ 1sin θ 2sin θ 3)sin θ 5)sin θ 6
o y= cos θ 6(-cos θ 1cos θ 4-(cos θ 3sin θ 1sin θ 2-cos θ 2sin θ 1sin θ 3)sin θ 4)-(cos θ 5(cos θ 4(cos θ 3sin θ 1sin θ 2-cos θ 2sin θ 1sin θ 3)-cos θ 1sin θ 4)+(-cos θ 2cos θ 3sin θ 1-sin θ 1sin θ 2sin θ 3)sin θ 5)sin θ 6
o z= -cos θ 6(cos θ 2cos θ 3+sin θ 2sin θ 3) sin θ 4-(cos θ 4cos θ 5(cos θ 2cos θ 3+sin θ 2sin θ 3)+(cos θ 3sin θ 2-cos θ 2sin θ 3)sin θ 5)sin θ 6
  (11)
a x= -cos θ 5(-cos θ 1cos θ 2cos θ 3-cos θ 1sin θ 2sin θ 3)+(cos θ 4(cos θ 1cos θ 3sin θ 2-cos θ 1cos θ 2sin θ 3)+sin θ 1sin θ 4)sin θ 5
o y= -cos θ 5(-cos θ 2cos θ 3sin θ 1-sin θ 1sin θ 2sin θ 3)+(cos θ 4(cos θ 3sin θ 1sin θ 2-cos θ 2sin θ 1sin θ 3)-cos θ 1sin θ 4)sin θ 5
o z= -cos θ 5(cos θ 3sin θ 2-cos θ 2sin θ 3) +cos θ 4(cos θ 2cos θ 3+sin θ 2sin θ 3)sin θ 5
  (12)
P x= cos θ 1 a 1+cos θ 1sin θ 2 a 2+(cos θ 1cos θ 3sin θ 2-cos θ 1cos θ 2sin θ 3) a 3+(cos θ 1cos θ 2cos θ 3+cos θ 1sin θ 2sin θ 3) d 4+(-cos θ 5(-cos θ 1cos θ 2cos θ 3-cos θ 1sin θ 2sin θ 3)+(cos θ 4(cos θ 1cos θ 3sin θ 2-cos θ 1cos θ 2sin θ 3)+sin θ 1sin θ 4)sin θ 5) d 6
P y= sin θ 1 a 1+sin θ 1sin θ 2 a 2+(cos θ 3sin θ 1sin θ 2-cos θ 2sin θ 1sin θ 3) a 3+(cos θ 2cos θ 3sin θ 1+sin θ 1sin θ 2sin θ 3) d 4+(-cos θ 5(-cos θ 2cos θ 3sin θ 1-sin θ 1sin θ 2sin θ 3)+(cos θ 4(cos θ 3sin θ 1sin θ 2-cos θ 2sin θ 1sin θ 3)-cos θ 1sin θ 4)sin θ 5) d 6
P z= cos θ 2 a 2+(cos θ 2cos θ 3+sin θ 2sin θ 3) a 3+(-cos θ 3sin θ 2+cos θ 2sin θ 3) d 4+(-cos θ 5(cos θ 3sin θ 2-cos θ 2sin θ 3)+cos θ 4(cos θ 2cos θ 3+sin θ 2sin θ 3)sin θ 5) d 6
對於多機械任在切削中的性能以及加工精度，需要通過標準模型對整個協同系統的加工精度進行評價。標準模型由發明人設計，它由四個部分組成，即球體、圓柱體、參考圓柱體和基礎塊，如圖7所示。
球體用于評估3D曲面在曲面銑削上的機械加工能力。
圓柱體用于評估曲面銑削中2D曲面的機器人機械加工能力。
基礎塊用于評估平面機器人的加工能力。
參考圓柱體用作評估球體和圓柱體的方向和幾何公差等機械加工能力的參考框架。
在此零件上進行了平面銑削和表面銑削，銑刀路徑由MasterCAM生成。該標準模型由HoR握持並由CuR切割，機器人的定向運動和對零件的切割由RobotMaster産生。
多機器人系統系統完成標準模型加工後，將其交予CNAS認可的校準實驗室進行測量。
表4顯示了從測試報告獲得的加工單元的性能。
表4 標準模型的測量結果
編號 測量部位 參考數值 (mm) 測量標準 測量結果 (mm) 偏差 (mm) 加工方式
1 基礎塊厚度 10 CMM 9.385 -0.615 平面
2 參考圓柱體高度 3 CMM 無法度量 NA 表面
3 圓柱體直徑 13 CMM 12.799 -0.201 表面
4 球體距底座的中心高度 27 CMM 26.776 -0.224 表面
5 球體直徑 23 CMM 23.076 +0.076 表面
6 球形度 0 CMM 0.415 0.415 表面
7 球體與圓柱體的同心度 0 CMM 0.178 0.178 表面
8 球體與參考圓柱體的同心度 0 CMM 0.091 0.091 表面
9 基礎塊的底部和頂部的並行性 0 CMM 0.062 0.062 平面
由表4可以看出，多機器人協同系統在表面銑削的切削精度要優于平面銑削。 簡而言之，這種多機械人協同系統更適合于自由曲面切割。 這些加工偏差主要是由于機器人協同系統加工過程中的抖動，由于機器人的結構複雜會導致其剛性不足，主軸，刀具，固定工件的夾具都會造成影響。
上述實施例是涉及利用多機械人協同系統製造醫療産品的範例。而該多機械人協同系統還可以應用于實施醫療手術，其與醫療産品的原理相似，可將醫療産品替換爲人體的手術部位，然後通過設定不同的多機械人協同對不同的手術步驟實施相應的手術操作。
下面結合附圖對本發明進一步說明：
圖1是本發明的立體圖；
圖2是使用增材制造方法制造的定制医疗产品示意圖；
圖3是本發明的全局坐標系與機械人坐標系的平面示意圖；
圖4是本發明的全局坐標系與機械人坐標系的立體示意圖；
圖5是本發明的6軸機械人的立體圖；
圖6是圖4中6軸機械人各關節之間的位置關係示意圖；
圖7是用於對整個協同系統的加工精度進行評價的標準模型的主視圖。

Claims (10)

  1. 多機器人協同系統，其中包括待處理的對象以及圍繞是設置於處理對象周圍的多個的機器人，該機械人上設置相應的處理器械；該待處理對象設置有基準，該處理器械以該基準為全域坐標系對該機械人運動進行運動建模，具體為： a. 該機械人i具有M i個運動自由度；以該機械人i的內建坐標系，安裝於該機器人i上的第j關節建立以下齊次變換方程： A i,j = Rotz( θ i,j) Tansz( d i,j )Transx( a i,j )Rotx( α i,j )=
    Figure 03_image001
    ……(1) 上式中i、j及M i為自然數，
    Figure 03_image003
    、
    Figure 03_image005
    、
    Figure 03_image007
    及
    Figure 03_image009
    分別為機械臂扭角，機械臂長度，機械臂偏移距離和機械臂夾角； 從而獲得安裝於該機械人i上處理器械的運動方程為：
    Figure 03_image011
    ……(2) b. 該機器人i的安裝基座I的基座坐標系與全域坐標系的位置關係建立,以下其次變換方程： A i,F=
    Figure 03_image013
    ……(3) 上式中i為自然數，F為該機器人i中的至少一關節，
    Figure 03_image015
    、
    Figure 03_image017
    、
    Figure 03_image019
    及
    Figure 03_image021
    分別為至少一關節F相對于全域坐標系的扭角，長度，偏移距離和夾角； c.根據該機器人i的內建坐標系與安裝基座的基座坐標系的位置關係建立以下齊次變換方程： A i,I=
    Figure 03_image023
    ……(4) 上式中分別i，I為自然數，，
    Figure 03_image025
    、
    Figure 03_image027
    、
    Figure 03_image029
    及
    Figure 03_image009
    為安裝基座I相對於全域坐標系的扭角、長度、偏移距離和夾角； d.獲得於該機械人i上處理器械的相對于全域坐標的運動方程爲：
    Figure 03_image031
    ……(5)
  2. 如請求項1所述之多機器人協同系統，其中所述處理對象設置於系統的中心位置，該機器人以處理對象為中心環繞設置於處理對象的周圍。
  3. 如請求項1所述之多機器人協同系統，其中還設有用於安裝該機器人的剛性基座，該剛性基座上設置有用於固定該機器人的鎖定裝置。
  4. 如請求項3所述之多機器人協同系統，其中該鎖定裝置包括用螺絲鎖定於該剛性底座上的剛性調整滑軌。
  5. 如請求項1所述之多機器人協同系統，其中該機器人還包括用於固定處理對象的夾持機械人,所述處理對象夾持固定於設置於機器人上的夾持座上。
  6. 如請求項1所述之多機器人協同系統應用於對不規則工件進行加工的方法，其中該機器人包括切削機械人、工件夾持機械人以及冷卻機械人，將不規則的待加工的工件安裝於該工件夾持機器人的固定座上，該切削機器人上安裝有用於對該工件進行加工的刀具，該冷卻機械人設有對該工件進行冷卻的冷卻劑噴射裝置；首先將該工件的坐標系設定爲全域坐標系，然後根據各個機器人的自有坐標與全域坐標系之間的位置關係建立相應的運動方程，通過該工件的加工輪廓生成加工刀路，各個機械人分別依照該加工刀路以及其相應的運動方程計算獲得各機器人自有的加工路綫，由相應的機器人分別控制該刀具，夾持該工件的該固定座以及該冷卻劑噴射裝置，完成對待加工的該工件的所有加工工序。
  7. 如請求項6所述之多機器人協同系統應用於對不規則工件進行加工的方法，其中該工件的基準為在該工件或底座表面通過三維列印形成的基準柱，以該基準柱設置該工件的坐標系。
  8. 如請求項6所述之多機器人協同系統應用於對不規則工件進行加工的方法，其中還設有有三維掃描儀，該三維掃描儀對待加工的該工件進行實時掃描以獲得待加工的該工件的測量尺寸，並將測量尺寸與該工件的加工輪廓數據進行對比，如測量尺寸超出設定的加工誤差，該切削機械人根據該加工誤差控制該刀具對待加工的該工件進行加工。
  9. 如請求項6所述之多機器人協同系統應用於對不規則工件進行加工的方法，其中還包括對該機器人復位的如下工作步驟： i.將標準的球形校準工件安裝至該工件夾持機械人上,將復位校準用的探針安裝至該切削機械人上； ii. 該切削機器人驅動探針與球形校準工件的不同位置接觸，並獲得多個接觸點坐標，通過該接觸點坐標，擬合計算該球形校準工件的球心坐標； iii．將該球心坐標記錄，並簡練以該球心坐標爲原點，X、Y及Z為方向向量的全域坐標系。
  10. 如請求項1所述之多機器人協同系統的加工精度評價方法，其中首先建立一個標準模型，該標準模型包括球體、圓柱體、參考圓柱體和基礎塊，將該標準模型作爲工件，安裝於多機器人協同系統中，該機器人按照該標準模型設定的加工量，加工刀路及對應的運動方程計算獲得該機器人的自有加工路綫，並對該標準模型的球體、圓柱體以及基礎塊進行加工，獲得加工後的該標準模型，最後對加工後的該標準模型的尺寸進行度量，將度量獲得的數據與該標準模型設定的加工量進行比對，獲得該多機器人協同系統的加工精度。
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