[发明专利]一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法

权利要求书

1.一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：装置包括机器臂本体、控制器模块、视觉模块、主动浮动机构、力传感器、末端磨抛工具模块。装置采用模块化分置设计，所述视觉模块通过连接板固定到机械臂末端，用以获取曲面磨抛作业的初步轨迹信息和定位；所述主动浮动机构通过底座固定在视觉模块连接板下；所述力传感器固定于浮动机构动子连接件下，用以读取控制方法所需求的力信号；所述末端磨抛工具模块固定于力传感器连接法兰下方，末端磨具具备可装卸性，可满足复杂曲面的不同打磨加工需求；所述控制器模块在PC中实现，采用分层规划的算法逻辑对打磨过程进行调控；

所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置的控制方法，其特征在于，通过视觉模块生成磨抛区域的点云模型并将其可视化到上位机，全局规划器根据上位机中手动框选的磨抛区域或者设置全局打磨模式来进行磨抛路径的规划，磨抛过程中控制器将分别通过位置、姿态、力三个局部控制器对全局路径进行优化，机械臂采用基于位置的速度控制、电机采用电流控制、实现对复杂曲面轮廓的跟踪以及法向恒力磨抛；具体包括以下步骤：

步骤1：基础工作准备，进行基于视觉的手眼标定，确定磨抛工具TCP方式下工具坐标系，对力信号进行处理工作，第一是对采集的力信号进行滤波处理，第二是对力传感器下方连接磨抛工具进行重力补偿；

步骤2：全局信息处理，机械臂移动到待磨抛区域上方，视觉模块将采集待磨抛区域的表面深度点云信息以及RGB图像信息，并通过匹配算法将RGB图和点云图进行像素点匹配可视化在上位机软件GUI窗口中，通过设定局部磨抛模式框选磨抛区域或者全局磨抛模式，上位机对设定磨抛区域进行磨抛全局路径规划，并将路径信息发送给机械臂驱动，机械臂采用基于位置的速度控制方式，其以速度为控制量，位置为反馈量，对速度设定上限阈值，速度以梯形曲线方式变化，此所述控制方式能够更加柔顺地实现磨抛过程；

步骤3：实时力控磨抛，开始磨抛后，磨抛工具按照全局规划路径执行磨抛作业轨迹，并通过限位控制器、姿态控制器、接触力控制器三个局部控制器对磨抛过程进行调控。

2.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：

步骤1中可以自主设定磨抛方式，调整工具坐标系Z轴即力控制的方向实现端磨、角磨等磨抛方式，并相应地添加末端工具坐标系和力传感器坐标系的力映射处理以及进行具体步骤中各控制器阈值的改变。

3.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：

所述限位控制器通过结合姿态控制器，可以将限位控制器退化成只需要控制一个自由度即工具坐标系的Z轴，减少了控制量，此时位置控制器给予机械臂一个工具坐标系Z轴方向的速度控制量使其远离磨抛表面直到柔顺装置位移量到达设定零点附近。

4.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：

所述姿态控制器中设定有三个对称的跨越转矩设定零点的阈值范围，以防止姿态过度重复控制导致机械臂的震颤，当力信号突破这个阈值范围，说明磨抛装置轴向与曲面法向此时不平行，姿态控制器进行控制，根据受力分析知此时磨抛装置需要顺着额外力矩的方向旋转，姿态控制器控制工具坐标系XYZ旋转方向的速度，使得磨抛装置法向趋向于曲面法向。

5.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：

所述力控制器中通过基于深度强化学习的PID控制方式对输出力进行控制，较大程度提高力控制的实时响应性能，能有效抑制磨抛过程中机械臂的振动对力信号的影响，力控制只需专注控制Z轴方向上的力即可。

6.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及控制方法，其特征在于：

所述机械臂的全局规划路径在每个控制周期内经过三个局部控制器得到更新，并下发给机械臂工控机使其追踪更新后的路径进行磨抛作业，实现磨抛工具始终跟踪曲面轮廓以及在曲面法向上进行作业并提供恒定的磨抛力。