CN115686027B - 一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法，包括如下步骤：根据打磨曲面的曲率划分不同区域，不同曲率采取不同直径的砂轮；确定打磨机器人在曲面各点的位姿；确定机器人在各区域的运行轨迹；在每个位姿点，通过恒力控制使每个点打磨力基本相同；通过实际扫描模型与三维模型对比，确定明显缺陷所在位置后，对缺陷位置打磨轨迹规划；完成该曲率范围的打磨区域后，更换末端打磨砂轮，打磨下一个曲率范围的区域；最后在恒力控制下驱动打磨机器人完成整体曲面打磨。

Description

一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工设备技术领域，具体涉及一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法。

背景技术

大型曲面通常通过铸造获得，但铸造获得曲面表面质量较差，需要通过二次加工来提升表面质量，如打磨抛光等。当前大部分企业仍采用人工打磨，效率较低，打磨质量不稳定。随着机器人技术的快速发展，机器人打磨技术得到了越来越广泛的应用。因此，基于工业机器人，开展曲面打磨的路径规划和控制，来提升打磨效率和打磨质量是十分必要的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了轨迹规划和控制流程合理的一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法，包括以下步骤：

1）打磨区域划分：通过曲率分析，根据曲率大小划分打磨区域，每个打磨区域对应一个型号的打磨砂轮；

2）点云处理：通过对曲面的三维模型进行均匀采样获得点云数据，并进行降噪处理；

3）位姿计算：对获得点云数据进行位姿计算，完善路径点的位姿信息；

4）轨迹规划：根据不同曲率区域选取的打磨砂轮，选取两行路径点之间的间距，相邻路径点的间隔为1mm，将同行的路径点连接获得该行的机器人运行轨迹；

5）点云对比：采用三维扫描仪对实际曲面进行扫描，并以实际与三维模型的点云之间的距离作为评判标准，判断是否存在明显缺陷，若存在对缺陷区域先进行处理，处理后再按照规划的轨迹运行；

6）打磨恒力控制：机器人按照规划的轨迹运行时，为保证去除的材料相同需要保证打磨的法向力相同，再机器人末端添加力传感器，并采用基于位置的阻抗控制，实时调节机器人运行位姿，实现沿曲面恒力打磨。

7）完成该曲率档次的打磨区域后，更换末端打磨砂轮，打磨下一个曲率范围的区域。

进一步的，所述打磨区域划分步骤，具体包括以下步骤：

1.1）三维模型预处理，对曲面三维模型的待加工外表面进行提取；

1.2）曲率分析，对待加工外表面的曲率进行分析，按照曲率半径大小划分为大、中、小三个档次；

1.3）区域划分：根据划分曲率半径划分档次后，将相邻的曲率属于同一档次的区域链接，连接规则按照先大后小的规律，将小曲率留到最后，与加工顺序相同。

进一步的，所述点云处理步骤，具体如下：

2.1）对待加工曲面进行离散化；

2.2）对离散化的点云进行降噪处理；

2.3）对降噪后的点云均匀取点。

进一步的，所述位姿计算步骤，具体如下：

3.1）法向计算，采用坎尼算子计算位姿点的法向，以与机器人接触方向为正；

3.2）X向计算，以沿加工方向上两个相邻点的连线作为X方向，以加工方向为正；

3.3）Y向计算，确定X向与Z向后，采用右手法则确定Y向。

进一步的，所述轨迹规划步骤，具体如下：

4.1）间距确定，根据分区设定相邻路径的间距，即该分区采用的打磨砂轮直径；同一路径上，点云间隔设置为１mm；

4.2）同档分区综合路径规划，将同一档次的区域，进行综合路径规划,即对同一曲率档次的区域进行统一的路径规划，确定加工的先后顺序，以及分区域的加工起点和终点，使该区域终点与下一个区域起点之间的距离小于10cm。

进一步的，所述点云对比步骤，具体如下：

5.1）扫描，对加工曲面进行扫描，扫描得到点云数据；

5.2）对比，将扫描得到的点云与三维模型的点云数据进行对比，以位姿点之间的距离作为批判标准；

5.3）处理，对存在缺陷区域，进行预加工的轨迹规划。如毛刺部分，则使用示教预处理，使其缺陷小于2mm，达到恒力打磨处理范围内。

进一步的，所述打磨恒力控制步骤，具体如下：

6.1）力采集，通过安装在机器人末端的力传感器实时采集打磨力信息；

6.2）信息计算，将力信息输入基于位置的阻抗控制模型，计算得到位置偏移量；

本发明的有益效果如下：解决了大型曲面打磨中的路径规划效率和质量并重的问题；通过不同曲率采取不同的打磨片和路径规划，保证打磨效率，通过将恒力控制和位姿计算保证打磨质量。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的曲率分析的流程框图；

图3为本发明的位姿计算的流程框图；

图4为本发明的扫描对比的流程框图。

具体实施方式

下面将参照附图更加详细说明本发明的实施过程。虽然附图中显示了本公开的流程，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参考图1，其为本发明的总体流程框图。

一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法，包括以下步骤：

步骤A1，曲面三维模型提取；

具体地，对工件整体三维模型预处理步骤，提取大型曲面三维模型的待加工外表面；

步骤A2，曲率分析，对待加工外表面的曲率进行分析，按照曲率半径大小划分为大、中、小三个档次；

具体地，具体细节步骤见图2；将曲面模型导入后，对模型进行曲率计算，计算后进入B3的判断模块，根据区域的曲率划分，对于曲率半径大于100的划分为大曲率区域，小于100的进入B4的判断模块，小于50的划分为小曲率区域，大于50小于100的划分为中曲率区域，划分后，进入B5将离散的区域进行整合，完成曲率及点云分析步骤。

步骤A3，点云处理；对模型离散化取点云，并对点云进行处理。

具体地，将曲面三维模型的待加工外表面离散化为点云，对离散后的点云进行降噪处理。

步骤A4，位姿计算，对点云进行位姿计算，确定机器人运行至该点时的姿态。

具体地，如图3所示，C1根据曲率分区使用的砂轮型号；C2确定轨迹间距；C3对现有点云数据进行简化，C4获得轨迹上的点；C5对轨迹上的点采用坎尼算子计算；C6根据坎尼计算结果，以远离机器人末端方向为，得到路径点的法向；C7为X向计算，以沿加工方向上两个相邻点的连线作为X方向，以加工方向为正；C8为Y向量计算，缺点X向与Z向后，采用右手法则确定Y向；C9对上述三向汇总得到路径点的位姿。

步骤A5，轨迹规划步骤，对区域内的位姿点进行串联，对同一曲率范围内的各区域进行连接。

具体地，包含间距确定步骤，根据分区设定相邻路径的间距（即该分区采用的打磨砂轮直径）；同一路径上，点云间隔设置为１ｍｍ；同档分区综合路径规划，将同一档次的区域，进行综合路径规划确定加工的先后顺序，以及分区域的加工起点和终点，使该区域终点与下一个区域起点之间的距离尽可能的小。

步骤A6，机器人运行轨迹，根据实际情况与三维模型对比，确定加工曲面有无明显的铸造缺陷，并根据缺陷进行专项处理。

具体地，D1对加工曲面实际情况进行扫描，扫描得到点云数据，D2将扫描得到的点云与三维模型的点云数据进行对比，以位姿点之间的距离作为批判标准；D3处理步骤，对存在缺陷区域，进行预加工的轨迹规划；D4按照原有轨迹运行。

步骤A7，机器人恒力控制，采用基于位置的阻抗控制。

具体地，通过安装在机器人末端的力传感器实时采集打磨力信息；将力信息输入基于位置的阻抗控制模型，计算得到位置偏移量；将位置偏移量输入给机器人，控制机器人运行到纠正后的相应位姿，实现曲面恒力打磨。

步骤A8，恒力控制后的实际运行轨迹。

步骤A9，打磨完一个曲率档次的区域后，更换刀打磨下一个曲率档次的区域。

具体地，机器人打磨完大曲率区域后，更换小一个型号的砂轮，打磨中曲率区域，最后再次更换砂轮，打磨小曲率区域，完成整个曲面打磨。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (2)

1.一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）打磨区域划分：通过曲率分析，根据曲率大小划分打磨区域，每个打磨区域对应一个型号的打磨砂轮；

所述打磨区域划分步骤，具体包括以下步骤：

1.1）三维模型预处理，对曲面三维模型的待加工外表面进行提取；

1.2）曲率分析，对待加工外表面的曲率进行分析，按照曲率半径大小划分为大、中、小三个档次；

1.3）区域划分：根据划分曲率半径划分档次后，将相邻的曲率属于同一档次的区域连接，连接规则按照先大后小的规律，将小曲率留到最后，与加工顺序相同；

2）点云处理：通过对曲面的三维模型进行均匀采样获得点云数据，并进行降噪处理；

所述点云处理步骤，具体如下：

2.1）对待加工曲面进行离散化；

2.2）对离散化的点云进行降噪处理；

2.3）对降噪后的点云均匀取点；

3）位姿计算：对获得点云数据进行位姿计算，完善路径点的位姿信息；

所述位姿计算步骤，具体如下：

3.1）法向计算，采用坎尼算子计算位姿点的法向，以与机器人接触方向为正；

3.2）X向计算，以沿加工方向上两个相邻点的连线作为X方向，以加工方向为正；

3.3）Y向计算，确定X向与Z向后，采用右手法则确定Y向；

4）轨迹规划：根据不同曲率区域选取的打磨砂轮，选取两行路径点之间的间距，相邻路径点的间隔为1mm，将同行的路径点连接获得该行的机器人运行轨迹；

所述轨迹规划步骤，具体如下：

4.1）间距确定，根据分区设定相邻路径的间距，即该分区采用的打磨砂轮直径；同一路径上，点云间隔设置为1mm；

4.2）同档分区综合路径规划，将同一档次的区域，进行综合路径规划,即对同一曲率档次的区域进行统一的路径规划，确定加工的先后顺序，以及分区域的加工起点和终点，使该区域终点与下一个区域起点之间的距离小于10cm；

5）点云对比：采用三维扫描仪对实际曲面进行扫描，并以实际与三维模型的点云之间的距离作为评判标准，判断是否存在明显缺陷，若存在对缺陷区域先进行处理，处理后再按照规划的轨迹运行；

6）打磨恒力控制：机器人按照规划的轨迹运行时，为保证去除的材料相同需要保证打磨的法向力相同，再机器人末端添加力传感器，并采用基于位置的阻抗控制，实时调节机器人运行位姿，实现沿曲面恒力打磨；

所述打磨恒力控制步骤，具体如下：

6.1）力采集，通过安装在机器人末端的力传感器实时采集打磨力信息；

6.2）信息计算，将力信息输入基于位置的阻抗控制模型，计算得到位置偏移量；

6.3）控制机器人，将位置偏移量输入给机器人，控制机器人运行到纠正后的相应位姿，实现曲面恒力打磨；

7）完成一个曲率档次的打磨区域后，更换末端打磨砂轮，打磨下一个曲率范围的区域。

2.根据权利要求1所述的一种曲面恒力打磨机器人的路径规划及控制方法，其特征在于，所述点云对比步骤，具体如下：

5.1）扫描，对加工曲面进行扫描，扫描得到点云数据；

5.2）对比，将扫描得到的点云与三维模型的点云数据进行对比，以位姿点之间的距离作为批判标准；

5.3）处理，对存在缺陷区域，进行预加工的轨迹规划；

如毛刺部分，则使用示教预处理，使其缺陷小于2mm，达到恒力打磨处理范围内。