基于前馈自抗扰的机器人打磨方法及系统

1.本发明涉及机器人打磨技术领域，特别是基于前馈自抗扰的机器人打磨方法及系统。


背景技术：

2.工业机器人抛光、打磨时,由于自身刚度较大，在加工过程中如果出现工件制造误差或定位误差，会导致机器人与工件的接触力过大或过小，造成对工件加工过度或未加工，降低加工质量，所以需要添加柔顺装置实现抛磨的力/位解耦，由工业机器人控制打磨装置的位姿、路径，由柔顺装置控制打磨力，通过添加柔顺装置感知加工过程中力/位的变化，做出实时动态响应，增加柔顺性，提高加工质量。现阶段使用较多的是气动柔顺装置，通过其内部的集成传感装置来探测打磨工况，将实时探测信号传递回控制器进行处理，气动柔顺装置柔顺性好，控制简单，但是存在响应慢，加工精度不高的问题。
3.在现有技术中，对于气动柔顺装置的控制有多种方法，其中使用最广的方法是模糊pid控制算法，其稳定性好，鲁棒性强，但是模糊pid控制算法依赖设定的规则经验，自适应程度不高，一些改进的控制算法也相对复杂，如专利cn201910519465.0所述，通过机器人在线试触待打磨表面，获取工件表面信息，并据此规划恒力打磨路径，专利cn201911146507.7所述，采用光扫描获取工件表面的采样点得到点云数据，通过对点云预处理，三维重建建立表面模型进行规划，提高装置的曲面适应性；以上方法各有侧重，但没有针对气动柔顺装置响应慢这个问题进行改进。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷，本发明的目的在于提出基于前馈自抗扰的机器人打磨方法及系统，能够提前控制气动柔顺装置的输出位置，具有提高气动柔顺装置响应速度的作用。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
6.基于前馈自抗扰的机器人打磨方法，包括如下步骤：
7.a.通过示教工件获取阈值；
8.b.测距传感器对待打磨工件的轮廓进行数据采集，得到工件打磨前的轮廓数据；
9.c.根据阈值，将测距传感器测得的工件轮廓数据与阈值对比，判断轮廓数据是否存在偏差；
10.d.若判断具有偏差，则将差异的数值输出至基于自抗扰控制的力控算法模块进行误差处理；
11.e.基于自抗扰控制的力控算法模块进行误差处理后得到控制量，用于提前控制气动柔顺装置的输出。
12.优选的，所述b步骤采用位置控制算法对轮廓数据进行采集并分析，具体包括如下内容：将加工时间进行等分，各加工时间区间对应各自的工件轮廓区域，机器人在t时刻打磨加工时，传感器将采集t δt时刻打磨位置处的工件轮廓点。
13.优选的，所述c步骤还包括通过轨迹调整算法对机器人打磨轨迹代码进行修正，具体包括如下内容：
14.c1.以示教工件的轮廓曲率为阈值，得到各段的轮廓曲率与阈值进行比较和判断；
15.c2.对各个打磨点进行位置修正，实时修正测距传感器的方向与工件表面的打磨轨迹方向保持一致。
16.优选的，所述d步骤具体包括如下内容：若判断工件的某个打磨区间的轮廓为存在偏差，则对异常的轮廓进行标记，标记为异常轮廓s1，提前输入到基于自抗扰控制的力控算法模块。
17.优选的，所述基于自抗扰控制的力控算法模块包括微分跟踪器td、比例微分控制器pd、状态观测器eso及运算子模块，所述e步骤具体包括如下内容：
18.e1：将测量的异常轮廓s1前馈到微分跟踪器td，进行前后区间提前控制的平滑过渡,测量的异常轮廓s1与设定的工件轮廓s进行比较，得到轮廓误差值s2，在微分跟踪器td中通过调整参数，为比例微分控制器pd提供轮廓误差信号r1及对应的轮廓误差微分信号r2：
19.s2＝s-s120.r1(k 1)＝r1(k) hr2(k)
21.r2(k 1)＝r2(k) hfh(r1(k)-s2,r2(k),v0,q0)；
22.e2：比例微分控制器pd根据微分跟踪器td得出的轮廓误差信号r1和轮廓误差微分信号r2，与状态观测器eso观测到的轮廓误差z1和轮廓误差导数的误差z2，得到控制量u0，气动恒力装置的总控制量u和实时的工件轮廓s0输入到状态观测器eso，状态观测器eso得到观测的恒力装置内外扰动的实际值，并在比例微分控制器pd输出信号u0中进行补偿，b为比例微分控制器pd的补偿量；状态观测器eso观测到的系统总扰动z3和比例微分控制器pd的输出值u0进行补偿得到u，总控制量u对气动柔顺装置的数学模型进行提前控制，控制量关系式下式所示：
23.u0(t)＝k
p
[r
1-z1] kd[r
2-z2]
[0024][0025]
基于前馈自抗扰的机器人打磨系统，包括测距传感系统模块、打磨轨迹修正模块和基于自抗扰控制的力控算法模块；
[0026]
所述测距传感系统模块用于对待打磨工件的轮廓进行数据采集，得到轮廓数据；
[0027]
所述打磨轨迹修正模块用于判断轮廓数据是否存在偏差；
[0028]
所述基于自抗扰控制的力控算法模块用于进行误差处理。
[0029]
优选的，所述打磨轨迹修正模块用于执行以下步骤：
[0030]
c1.以示教工件的轮廓曲率为阈值，得到各段的轮廓曲率与阈值进行比较和判断；
[0031]
c2.对各个打磨点进行位置修正，实时修正测距传感器的方向与工件表面的打磨轨迹方向保持一致。
[0032]
优选的，所述基于自抗扰控制的力控算法模块用于执行以下步骤：
[0033]
e1：将测量的异常轮廓s1前馈到微分跟踪器td，进行前后区间提前控制的平滑过渡,测量的异常轮廓s1与设定的工件轮廓s进行比较，得到轮廓误差值s2，在微分跟踪器td
中通过调整参数，为比例微分控制器pd提供轮廓误差信号r1及对应的轮廓误差微分信号r2：
[0034]
s2＝s-s1[0035]
r1(k 1)＝r1(k) hr2(k)
[0036]
r2(k 1)＝r2(k) hfh(r1(k)-s2,r2(k),v0,q0)；
[0037]
e2：比例微分控制器pd根据微分跟踪器td得出的轮廓误差信号r1和轮廓误差微分信号r2，与状态观测器eso观测到的轮廓误差z1和轮廓误差导数的误差z2，得到控制量u0，气动恒力装置的总控制量u和实时的工件轮廓s0输入到状态观测器eso，状态观测器eso得到观测的恒力装置内外扰动的实际值，并在比例微分控制器pd输出信号u0中进行补偿，b为比例微分控制器pd的补偿量；状态观测器eso观测到的系统总扰动z3和比例微分控制器pd的输出值u0进行补偿得到u，总控制量u对气动柔顺装置的数学模型进行提前控制，控制量关系式下式所示：
[0038]
u0(t)＝k
p
[r
1-z1] kd[r
2-z2]
[0039][0040]
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上文所述的基于前馈自抗扰的机器人打磨方法的步骤。
[0041]
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的基于前馈自抗扰的机器人打磨方法的步骤。
[0042]
上述技术方案包括以下有益效果：
[0043]
本发明适用于常见的打磨工具与机器人法兰同轴的打磨场景。常见的打磨工具为气动柔顺装置，这种类型的装置以气缸为动力元件，通过控制压电比例阀的输出气压来控制气缸输出力。传统气动打磨柔顺装置精度不高、力的调节存在滞后性。
[0044]
在本实施例中，在气动柔顺装置的下法兰部分加装测距传感器，作为硬件部分，将测得的轮廓曲率与阈值比较，及时准确发现工件的偏差，然后使用基于自抗扰控制的恒力方法对测量的轮廓偏差进行控制，提前控制气动柔顺装置的输出位置，提高气动柔顺装置响应速度。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例的技术方案示意图；
[0046]
图2是本发明实施例中气动柔顺装置的控制原理框图。
具体实施方式
[0047]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0048]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所
示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
[0049]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0050]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0051]
下面结合图1至图2描述本发明实施例的基于前馈自抗扰的机器人打磨方法及系统：
[0052]
基于前馈自抗扰的机器人打磨方法，包括如下步骤：
[0053]
a.通过示教工件获取阈值；
[0054]
b.测距传感器对待打磨工件的轮廓进行数据采集，得到工件打磨前的轮廓数据；
[0055]
c.根据阈值，将测距传感器测得的工件轮廓数据与阈值对比，判断轮廓数据是否存在偏差；
[0056]
d.若判断具有偏差，则将差异的数值输出至基于自抗扰控制的力控算法模块进行误差处理；
[0057]
e.基于自抗扰控制的力控算法模块进行误差处理后得到控制量，用于提前控制气动柔顺装置的输出。
[0058]
具体的，本发明适用于常见的打磨工具与机器人法兰同轴的打磨场景。常见的打磨工具为气动柔顺装置，这种类型的装置以气缸为动力元件，通过控制压电比例阀的输出气压来控制气缸输出力。传统气动打磨柔顺装置精度不高、力的调节存在滞后性。
[0059]
在本实施例中，在气动柔顺装置的下法兰部分加装测距传感器，作为硬件部分。在示教过程中，将总加工时间等分为若干区间，各段相互独立；测距传感器获取工件轮廓，在工件轮廓的起点和终点之间确定若干个中间点，采用逐点比较法进行工件轮廓的打磨点插补，插补若干个中间点，在打磨区间内设置四个端点将轮廓细分为五段；将测得的轮廓曲率与阈值比较，及时准确发现工件的偏差，然后使用基于自抗扰控制的恒力方法对测量的轮廓偏差进行控制，提前控制气动柔顺装置的输出位置，提高气动柔顺装置响应速度。
[0060]
优选的，所述b步骤采用位置控制算法对轮廓数据进行采集并分析，具体包括如下内容：将加工时间进行等分，各加工时间区间对应各自的工件轮廓区域，机器人在t时刻打磨加工时，传感器将采集t δt时刻打磨位置处的工件轮廓点。
[0061]
具体的，即在区间δt1加工时，测量后续区间δt2、δt3的工件轮廓，当加工区间测量的工件轮廓的某个区间曲率超过阈值，测距传感器进行数据读取，获得实测点与理论轮廓点的差异大小，输出至基于自抗扰控制的力控算法模块进行处理，进而调节气动柔顺装置的比例阀控制量大小，提前调整气缸动作，以实现提高气动柔顺装置的整体响应速度的效果。
[0062]
优选的，所述c步骤还包括通过轨迹调整算法对机器人打磨轨迹代码进行修正，具
体包括如下内容：
[0063]
c1.以示教工件的轮廓曲率为阈值，得到各段的轮廓曲率与阈值进行比较和判断；
[0064]
c2.对各个打磨点进行位置修正，实时修正测距传感器的方向与工件表面的打磨轨迹方向保持一致。
[0065]
具体的，以示教工件的轮廓曲率为阈值，将打磨过程的总时间等分，对某个区间对应的工件轮廓范围又进行细分，得到更准确的缺陷轮廓区域，预判后续轮廓的类型，对异常轮廓进行标记，及时处理误差；在步骤c1得到打磨点的位置坐标后，还需要确定打磨点的姿态，以抛磨装置垂直于打磨面的姿态为最佳，所以取打磨面法线方向为抛磨装置的期望姿态，在打磨过程中，抛磨装置的姿态会不断变化，控制抛磨装置姿态与打磨面法线方向的误差最小化，对姿态的控制转换为各个打磨点的修正，实时修正测距传感器的方向与工件表面的打磨轨迹方向保持一致。
[0066]
通过轨迹调整算法对机器人打磨轨迹代码进行修正，使得测距传感器始终在打磨前进轨迹上，进而能够实时检测前进轨迹上的工件轮廓变化。
[0067]
优选的，所述d步骤具体包括如下内容：若判断工件的某个打磨区间的轮廓为存在偏差，则对异常的轮廓进行标记，标记为异常轮廓s1，提前输入到基于自抗扰控制的力控算法模块。
[0068]
具体的，气动柔顺装置在区间加工时，测距传感器测量后续打磨区间对应的工件轮廓，对区间中的轮廓的曲率与示教工件的轮廓表面曲率进行分析，判断工件的某个打磨区间的轮廓是否存在偏差，对异常的轮廓进行标记，提前输入到基于自抗扰控制的力控算法模块。
[0069]
优选的，所述基于自抗扰控制的力控算法模块包括微分跟踪器td、比例微分控制器pd、状态观测器eso及运算子模块，所述e步骤具体包括如下内容：
[0070]
e1：将测量的异常轮廓s1前馈到微分跟踪器td，进行前后区间提前控制的平滑过渡,测量的异常轮廓s1与设定的工件轮廓s进行比较，得到轮廓误差值s2，在微分跟踪器td中通过调整参数，为比例微分控制器pd提供轮廓误差信号r1及对应的轮廓误差微分信号r2：
[0071]
s2＝s-s1[0072]
r1(k 1)＝r1(k) hr2(k)
[0073]
r2(k 1)＝r2(k) hfh(r1(k)-s2,r2(k),v0,q0)；
[0074]
e2：比例微分控制器pd根据微分跟踪器td得出的轮廓误差信号r1和轮廓误差微分信号r2，与状态观测器eso观测到的轮廓误差z1和轮廓误差导数的误差z2，得到控制量u0，气动恒力装置的总控制量u和实时的工件轮廓s0输入到状态观测器eso，状态观测器eso得到观测的恒力装置内外扰动的实际值，并在比例微分控制器pd输出信号u0中进行补偿，b为比例微分控制器pd的补偿量；状态观测器eso观测到的系统总扰动z3和比例微分控制器pd的输出值u0进行补偿得到u，总控制量u对气动柔顺装置的数学模型进行提前控制，控制量关系式下式所示：
[0075]
u0(t)＝k
p
[r
1-z1] kd[r
2-z2]
[0076]
[0077]
具体的，将测量的异常轮廓s1前馈到微分跟踪器td进行滤波，主要对前后区间进行平滑过渡，减少震荡，状态观测器eso具有观测和补偿的作用，可对状态观测器eso观测到的实时轮廓与传感器测量的轮廓误差进行互补，得到更准确的控制信号u，使气动柔顺装置对轮廓偏差进行快速补偿。在本实施例中，e1步骤中微分跟踪器td可以通过调整以下参数：如增大滤波因子q0减少震荡，增大速度因子v0提高跟踪速度，对前后打磨区间的输入轮廓误差值s2进行平缓过渡。
[0078]
本实施例还公开基于前馈自抗扰的机器人打磨系统，包括测距传感系统模块、打磨轨迹修正模块和基于自抗扰控制的力控算法模块；
[0079]
所述测距传感系统模块用于对待打磨工件的轮廓进行数据采集，得到轮廓数据；
[0080]
所述打磨轨迹修正模块用于判断轮廓数据是否存在偏差；
[0081]
所述基于自抗扰控制的力控算法模块用于进行误差处理。
[0082]
具体的，所述测距传感系统模块包括在气动柔顺装置上加装的测距传感器及其控制子模块，所述测距传感器可为红外测距传感器。
[0083]
优选的，所述打磨轨迹修正模块用于执行以下步骤：
[0084]
c1.以示教工件的轮廓曲率为阈值，得到各段的轮廓曲率与阈值进行比较和判断；
[0085]
c2.对各个打磨点进行位置修正，实时修正测距传感器的方向与工件表面的打磨轨迹方向保持一致。
[0086]
优选的，所述基于自抗扰控制的力控算法模块用于执行以下步骤：
[0087]
e1：将测量的异常轮廓s1前馈到微分跟踪器td，进行前后区间提前控制的平滑过渡,测量的异常轮廓s1与设定的工件轮廓s进行比较，得到轮廓误差值s2，在微分跟踪器td中通过调整参数，为比例微分控制器pd提供轮廓误差信号r1及对应的轮廓误差微分信号r2：
[0088]
s2＝s-s1[0089]
r1(k 1)＝r1(k) hr2(k)
[0090]
r2(k 1)＝r2(k) hfh(r1(k)-s2,r2(k),v0,q0)；
[0091]
e2：比例微分控制器pd根据微分跟踪器td得出的轮廓误差信号r1和轮廓误差微分信号r2，与状态观测器eso观测到的轮廓误差z1和轮廓误差导数的误差z2，得到控制量u0，气动恒力装置的总控制量u和实时的工件轮廓s0输入到状态观测器eso，状态观测器eso得到观测的恒力装置内外扰动的实际值，并在比例微分控制器pd输出信号u0中进行补偿，b为比例微分控制器pd的补偿量；状态观测器eso观测到的系统总扰动z3和比例微分控制器pd的输出值u0进行补偿得到u，总控制量u对气动柔顺装置的数学模型进行提前控制，控制量关系式下式所示：
[0092]
u0(t)＝k
p
[r
1-z1] kd[r
2-z2]
[0093][0094]
本实施例还公开一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上文所述的基于前馈自抗扰的机器人打磨方法的步骤。
[0095]
本实施例还公开一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述
计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的基于前馈自抗扰的机器人打磨方法的步骤。
[0096]
根据本发明实施例的基于前馈自抗扰的机器人打磨方法及系统的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
[0097]
上述基于前馈自抗扰的机器人打磨系统中的各模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于电子设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于电子设备的存储器中，以便于处理器调用执行以上各模块对应的操作。
[0098]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0099]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0100]
以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。