[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

说明书

本发明公开了一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及其控制方法，包括六轴机器臂本体、控制器模块、视觉模块、音圈电机主动浮动机构、六维力传感器、末端磨抛工具模块；所述视觉模块通过连接板固定到机械臂末端，用以获取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；所述磨抛作业模块固定于力传感器连接法兰下方。本发明装置采用模块化分置设计，针对不同加工需求配置不同型号的部件而不改变整体结构，易于维护；控制系统将机械臂的位置、姿态和主动浮动机构分别使用相应局部规划器控制，并以此修正全局规划轨迹，有效提高了控制系统的动态响应性能，提高了作业质量。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及其控制方法。

背景技术

随着“中国制造2025”行动纲领的提出，各工业领域开始加速推进信息化与工业化的深度融合，应用范围越来越广泛的机器人加工领域的研发是首当其冲的环节。现有的机器人加工领域应用大多都是机器人接触式作业，作业质量对机器人的力感知能力和力控制能力提出了较高的要求，特别是针对复杂曲面的加工，例如打磨、抛光等应用。在应用过程中往往要求其接触力能够恒定在一个水平，并且其施力的方向稳定在曲面法向上最佳，但是大多由铸造、模具加工出来的复杂曲面零件本身决定了无法获取比较精确的加工轨迹。研究机器人末端工具能否能够连续地平滑接触加工表面并施加恒定的接触力是目前机器人磨抛领域的一个关键问题。

目前的机器人复杂曲面加工主要有两种解决方法，一种是直接由机器人控制器完成力控制功能，例如力/位混合控制、阻抗控制、以及前二者配合各种智能控制方法实现，但是由于前二者单一控制效果不佳，无法保证加工过程中的鲁棒性和实时性要求，而配合各种智能控制会导致整个力控制开发流程冗杂并且很难实际应用或适用场景单一，如专利CN110695809B其基于强化学习的控制方式只适用于类圆柱面的曲面，对类旋转曲面甚至自由曲面适用性很低；另一种是采用特殊末端工具进行主动力控制，将力控制和位置控制在机械结构上分开，但是末端工具的开发形式往往为基于某一特定场景目标所单独设计，不具备普适性，如专利CN108818303A公开了一种机器人抛磨力控末端执行器，采用气动马达后置作为动力源，通过一根花键主轴将动力传递到打磨头部分，主轴贯穿整个装置，实现了旋转部分和直线部分的机械解耦，提高了稳定性，但由于在打磨头部分使用花键轴连接，意味着其设置在中部的力传感器在打磨姿态不垂直于曲面法向时无法测量偏转力矩用以姿态的调整，不适用于缺陷较多且不易确定运动规划轨迹的复杂曲面加工。

发明内容

针对机器人面向复杂曲面进行磨抛作业时，由于曲面不确定性导致磨抛作业路径规划困难，直接利用机械臂进行力控的鲁棒性和实时性差且现有部分末端柔顺装置以及控制方法适应性差等问题，本发明提供了一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置及其控制方法，能实现各种复杂表面的自适应磨抛作业，并且有效提高磨抛作业时追踪曲面法向以及恒定磨抛力的效率以及稳定性。

本发明采用的技术方案如下：一种针对复杂曲面的机器人力控磨抛装置，包括六轴机器臂本体、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；所述磨抛作业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：