[发明专利]基于势场法多约束的机器人铣削加工姿态规划方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于势场法的多约束机器人铣削加工姿态规划方法和系统，属于铣削加工制造领域。本发明通过将几何物理约束转化为虚拟势场，使得被约束量在虚拟势场产生的排斥力矩的作用下，远离约束边界，从而使得生成的姿态轨迹满足几何物理约束。本发明综合考虑了机器人的冗余角与末端执行器的前倾侧倾角，进一步提高了加工质量。考虑该因素后，应用生成的轨迹进行铣削加工，加工精度有明显提高。本发明提出一种新势场函数，通过数值积分对虚拟动力学方程进行计算而求解姿态轨迹，求得的解为连续域内的数值，使得机器人轨迹在运动过程中始终保证关节运动C3连续，从而保证了生成姿态轨迹的光顺性。

技术领域

本发明属于铣削加工制造领域，更具体地，涉及基于势场法多约束的机器人铣削加工姿态规划方法和系统。

背景技术

工业机器人因其高灵活性、可编程性以及富有竞争力的成本等优点广泛应用于各类自动化生产中，面对不同的生产任务需求进行轨迹规划已成为机器人作业的刚需。针对机器人铣削加工，其对加工轨迹精度和加工力学性能要求较高，相比于其他的码垛、搬运等作业任务提出了更大的挑战；相对于传统的五轴加工，机器人铣削加工除前倾角和侧倾角外，还存在冗余角对加工力学性能产生影响，具有更高的规划难度。因此有必要开发适用于机器人多轴铣削加工的姿态轨迹规划技术。

在目前的机床与机器人姿态规划领域中，主要采用基于采样和图论的算法，对整个机器人的可达空间进行离散，对加工性能、操作性能等指标进行遍历计算，计算代价大。并且由于可达空间的离散，规划的结果需要进行光顺化处理。美国Stanford University的Khatib等学者在Autonomous Robot Vehicles上发表文章Real-Time Obstacle Avoidancefor Manipulators and Mobile Robots提出了一种基于势场法的机器人避障轨迹规划算法，将空间中的干涉赋予排斥力，目标点设置吸引力，通过两种力的作用实现机器人由初始点到终点的无干涉轨迹规划。由于仅需计算机器人所在位置的受力情况，避免了对整个可达空间的遍历；并且通过连续的计算保证了生成的轨迹光顺性。韩国Seoul NationalUniversity的Cho等学者在International Journal of Advanced ManufacturingTechnologys上发表文章International Journal of Advanced ManufacturingTechnology将势场法引入机床铣削刀具姿态轨迹规划中。法国University of Paris的Lacharnay等学者在Computer-Aided Design上发表文章A physically-based model forglobal collision avoidance in 5-axis point milling对该方法进行了改善，通过赋予全局干涉的障碍物以虚拟排斥力场，赋予预规划的刀具姿态轨迹以吸引力场，赋予刀具虚拟模态参数，使得刀具在沿规划的路径运动的规程中，通过吸引力与排斥力的作用实现高效、无全局干涉、光顺的刀具姿态规划。相关的研究仅将势场法应用于机器人避障和机床刀具姿态规划中，对于机器人多轴铣削加工姿态轨迹规划的应用目前相应的规划算法较少。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了基于势场法的多约束机器人铣削加工姿态规划方法和系统，其目的在于综合考虑了铣削过程中刀具姿态以及冗余角对加工精度的影响，可以实现高效生成沿刀路运动的光顺机器人姿态轨迹，有利于提升工件的加工精度。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于势场法多约束的机器人铣削加工姿态规划方法，该方法包括以下步骤：

S1.获取刀具路径；