协作机器人的打磨控制方法、装置及计算机可读存储介质与流程

1.本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种协作机器人的打磨控制方法、一种协作机器人的打磨控制装置及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.目前，随着机器人领域的高速发展，正在掀起了“机器人换人”潮。为了能够进一步提高产品质量和工作效率，机器人正在被广泛应用于生产制造的流水线上。机器人尤其适用于工作环境恶劣，工作强度较大的工种中，例如打磨工艺等。但使用机器人打磨工件时，同样存在一定缺陷，其缺陷在于：由于机器人存在位置控制精度不足，刚度不足等问题，因此，难以完成复杂的全面打磨任务。
3.因此，急切需要设计一种精度高且能够实现对复杂曲面进行全面打磨的协作机器人的打磨控制方法及装置。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了解决现有协作机器人难以完成复杂的全面打磨任务的问题，本发明提供一种协作机器人的打磨控制方法，其包括步骤：
5.s1、控制器获取打磨的平面上多个离散打磨点的参数；
6.s2、所述控制器通过nurbs曲线将所述离散打磨点的参数拟合成打磨物体表面的自由运动曲线；
7.s3、所述控制器通过所述自由运动曲线和s形速度曲线来对机器人的运动进行规划。
8.较佳地，所述步骤s2中的自由运动曲线的拟合成方法为：
9.步骤s20、将所述离散打磨点作为节点，将所述节点参数化从而组成节点矩阵方程，并利用反解法进行求解控制点；
10.步骤s21、计算基函数；
11.步骤s22、计算自由运动曲线的有理化方程；
12.步骤s23、通过插补对所述自由运动曲线进行曲线密集化。
13.较佳地，所述步骤s20中的节点矩阵方程为：
[0014][0015]
其中，d为控制点，u为选中的离散打磨点，其中的a、b、c、e为通过节点参数化所得到的矩阵参数。
[0016]
较佳地，所述步骤s21中基函数的计算方法为：
[0017][0018]
其中，k≥1，u为选中的离散打磨点。
[0019]
较佳地，所述步骤s22中自由运动曲线的有理化方程为：
[0020][0021]
其中，d为控制点，ω为权重，n(u)为基函数。
[0022]
较佳地，所述步骤s3中s形速度曲线的函数表达式为：
[0023][0024]
其中，v
max
代表最大速度，a
max
代表最大加速度，j
max
为加加速度，t1至t7代表所述s型曲线规划各个部分的时间。
[0025]
较佳地，在执行步骤s1之前执行：
[0026]
步骤s10、所述控制器建立运动学模型；
[0027]
所述运动学模型的变换矩阵为：
[0028][0029]
其中，α
i-1
为z轴绕x轴旋转的角度，di为x轴沿z轴移动的距离，θi为 z轴绕z轴旋转的角度。
[0030]
本发明还提供一种协作机器人的打磨控制装置，其包括：控制器，所述控制器包括参数获取模块、自由运动曲线生成模块和运动规划模块，所述自由运动曲线生成模块分别与所述运动规划模块和所述参数获取模块连接；
[0031]
所述参数获取模块用于获取打磨的平面上多个离散打磨点的参数；
[0032]
所述自由运动曲线生成模块用于通过nurbs曲线将离散打磨点的参数拟合成打磨物体表面的自由运动曲线；
[0033]
所述运动规划模块用于通过自由运动曲线和s形速度曲线来对机器人的运动进行规划。
[0034]
较佳地，所述装置还包括位姿传感器，所述位姿传感器与所述控制器连接。
[0035]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0036]
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
[0037]
该方法能够实现对复杂曲面的全面覆盖贴合打磨的控制，还能够避免由于加速度等突变带来的冲击影响，能够保证打磨的精度。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1是本发明实施例一中协作机器人的打磨控制方法的流程图；
[0040]
图2是本发明实施例二中自由运动曲线的拟合成方法的流程图；
[0041]
图3是本发明实施例二中协作机器人的打磨控制装置的结构示意图；
[0042]
图4是本发明实施例二中s型速度曲线图；
[0043]
图5为本发明实施例二中加速度曲线图。
[0044]
附图标记：
[0045]
控制器1、参数获取模块2、自由运动曲线生成模块3、运动规划模块4和位姿传感器5。
具体实施方式
[0046]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0047]
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0048]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0049]
实施例一
[0050]
图1是本发明实施例一中协作机器人的打磨控制方法的流程图。如图1所示，本发明实施例一提供的协作机器人的打磨控制方法包括如下步骤：
[0051]
步骤s1、控制器1获取打磨的平面上多个离散打磨点的参数；
[0052]
步骤s2、控制器1通过nurbs曲线将离散打磨点的参数拟合成打磨物体表面的自由运动曲线；
[0053]
步骤s3、控制器1通过自由运动曲线和s形速度曲线来对机器人的运动进行规划。
[0054]
本发明实施例一提供的协作机器人的打磨控制方法的有益效果在于：
[0055]
该方法通过nurbs曲线(非均匀有理b样条曲线)来拟合打磨物体表面的自由运动曲线，然后将自由运动曲线与s型曲线的轨迹规划相结合，来实现机器人打磨运动的运动轨
迹控制。该方法能够实现对复杂曲面的全面覆盖贴合打磨的控制，还能够避免由于加速度等突变带来的冲击影响，能够保证打磨的精度。
[0056]
本发明实施例一还提供一种协作机器人的打磨控制装置，其包括：控制器 1，控制器1包括参数获取模块2、自由运动曲线生成模块3和运动规划模块4。自由运动曲线生成模块3分别与运动规划模块4和参数获取模块2连接。
[0057]
参数获取模块2用于获取打磨的平面上多个离散打磨点的参数。
[0058]
自由运动曲线生成模块3用于通过nurbs曲线将离散打磨点的参数拟合成打磨物体表面的自由运动曲线。
[0059]
运动规划模块4用于通过自由运动曲线和s形速度曲线来对机器人的运动进行规划。例如，通过自由运动曲线和s形速度曲线来控制机器人末端的运动速度和加速度。
[0060]
实施例二
[0061]
本实施例与实施例一的区别在于：
[0062]
在执行步骤s1之前执行：
[0063]
步骤s10、控制器1建立运动学模型。
[0064]
运动学和工作空间分析是机器人运动规划和控制的基础。优选地，在步骤 s10中，控制器1根据dh(denavit-hartenberg)建模方法为机器人的每个关节建立对应的笛卡尔坐标系。
[0065]
所述运动学模型的变换矩阵为：
[0066][0067]
其中，α
i-1
为z轴绕x轴旋转的角度，di为x轴沿z轴移动的距离，θi为 z轴绕z轴旋转的角度。
[0068]
另外，图2是本发明实施例二中自由运动曲线的拟合成方法的流程图。如图2所示，步骤s2中的自由运动曲线的拟合成方法为：
[0069]
步骤s20、将离散打磨点作为节点，将节点参数化从而组成节点矩阵方程，并利用反解法进行求解控制点；
[0070]
步骤s21、计算基函数n(u)；
[0071]
步骤s22、计算自由运动曲线的有理化方程；
[0072]
步骤s23、通过插补对自由运动曲线进行曲线密集化。
[0073]
步骤s20中的节点矩阵方程如下所示：
[0074][0075]
d为控制点，u为选中的离散打磨点，其中的a、b、c、e为通过节点参数化所得到的矩阵参数。
[0076]
步骤s21中基函数n(u)的计算方法为：
[0077][0078]
其中k≥1。
[0079]
步骤s22中通过nurbs曲线表示自由运动曲线的有理化方程为：
[0080][0081]
其中，d为控制点，ω为权重，n(u)为基函数。
[0082]
nurbs曲线为非均匀有理b样条，方法为标准解析形式的初等曲线曲面、自由型曲线曲面的精确表示和设计提供了的数学表示。由n个多边形控制顶点定义的一条k次nurbs曲线可以表示为1条分段有理多项式的有理矢函数。
[0083]
使用s曲线速度规划可以达到精密仪器对工业机器人插补轨迹连续性的要求。步骤s3中s形速度曲线的函数表达式为
[0084][0085]
其中，v
max
代表最大速度，a
max
代表最大加速度，j
max
为加加速度，t1至t7代表s型曲线规划各个部分的时间。图4为s型速度曲线图。如图4所示，s1至 s7代表每一段的运动距离。图5为和加速度曲线图。
[0086]
s型速度曲线各个阶段的时间为t1至t7，由速度和加速度以及加加速度的关系可得s速度曲线的函数表达式。
[0087]
值得一提的是，在步骤s1中，即步骤s2和s3进行之前，本发明的协作机器人的打磨控制方法还包括步骤：滤波处理打磨之前采集的打磨曲面运动数据。
[0088]
图3是本发明实施例二中协作机器人的打磨控制装置的结构示意图。如图 3所示，本发明实施例二提供的协作机器人的打磨控制装置，其还包括位姿传感器5，位姿传感器5与控制器1连接。位姿传感器5用于实时采集姿态和位置数据。
[0089]
可以理解的是，位姿传感器5负责实时采集姿态；位置的数据，打磨之前采集的打磨曲面运动数据经滤波处理后通过nurbs和s形速度的规划得出打磨的轨迹运动曲面，从而实现协作机器人打磨路径的连续性，尤其在协作机器人被用于打磨形状凹凸不平、面积小且数量多的曲面时，可以确保协作机器人对每个打磨曲面具有高的打磨精度。
[0090]
系统采用tcp通信方式，通过tcp通信方式获取位姿传感器的信息，获取协作机器
人末端打磨装置的位置和姿态，以及打磨曲面的数据。
[0091]
可以理解的是，所述协作机器人的打磨控制装置被应用在协作机器人打磨时的整体控制流程为：首先通过协作机器人的机械臂在打磨的平面上示教多个离散的打磨点，协作机器人的运动学模型计算机器人各个轴的运动角度和末端姿态的数值。其次，在将这些离散的打磨点选作节点u，利用nurbs拟合自由曲线，将节点u参数化组成节点矩阵方程，如上公式所示，利用反解法进行求解控制点，然后按照公式求出曲线的有理化方程，最后进行曲线密集化来进行插补求点。在曲线的运动距离确定后，要使用s形速度曲线来控制机器人末端的运动速度和加速度，使各个插补点的位置、速度和加速度能够连续，将之反推到关节空间可以得到各个关节的角度、角速度和角加速度。传感负责实时采集姿态和位置的数据，打磨之前采集的打磨曲面运动数据经滤波处理后通过 nurbs拟合自由曲线和s形速度曲线的规划得出打磨的轨迹运动曲面，实现协作机器人打磨路径的连续性，以此使得协作机器人能够对形状凹凸不平、打磨面积小以及数量多的曲面进行精细打磨。
[0092]
该协作机器人打磨控制方法能够实现的有益效果：
[0093]
1、通过nurbs曲线拟合自由运动曲线来进行s形速度曲线运动轨迹规划；
[0094]
2、通过传感器采集打磨的位置信息，进行打磨曲面的数据采集和实时监控；
[0095]
3、通过此控制方法，提高协作机器人的打磨工艺的精度。
[0096]
实施例三
[0097]
本实施例与实施例一不同之处在于：
[0098]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述协作机器人的打磨控制方法的步骤。
[0099]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。