CN110281152A - 一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人打磨路径规划领域，并具体公开了一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法及***，其首先获取待打磨表面的几何信息和位置信息，并据此确定在线试触过程的试触范围和试触方向；然后确定试触起点，机器人夹持打磨工具从试触起点出发，沿试触方向对待打磨表面进行逐点在线试触，并记录触碰点信息；最后利用记录的所有触碰点信息拟合待打磨表面的恒打磨力面网格，并生成恒力打磨路径。本发明通过机器人在线试触待打磨表面的方式获取工件表面信息，并据此规划恒力打磨路径，具有操作简单，自动化程度高，且能实现恒力打磨等优点。

Description

一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法及***

技术领域

本发明属于机器人打磨路径规划领域，更具体地，涉及一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法及***。

背景技术

随着机器人在机械加工制造领域的广泛应用，越来越多的人工作业被机器人作业替代，如机器人喷涂、钻铆和磨抛等。以上三种作业由于对机器人的操作精度要求较低，故应用最为广泛。在机器人磨抛加工领域，目前从中小型企业到大型企业均采用机器人协助人工或机器人单独作业的方式。其中，中小型企业主要涉及卫浴行业等小零部件的抛光，大型企业则涉及风电、高铁等行业中大型复杂构件的打磨。

机器人磨抛按工件的装夹方式分为两种，一种是工件被固定装夹于工作台面，机器人夹持打磨工具打磨待加工工件；另一种是工件被固定装夹于机器人末端，机器人夹持工件靠近打磨工具以使工件被打磨。两种机器人打磨方式均面临着一系列问题，首先是工件的定位问题，传统数控加工用人工对刀来解决此问题，但要求高度自动化的机器人加工领域并不适用此方法；然后是如何获取工件的几何信息以用于打磨路径规划，一般方法多用视觉辅助手段来获取精确工件几何信息；最后是工件的变形问题，即使精准获取工件形状和位置信息，在加工过程中工件仍可能因受到打磨力影响而发生变形进而使规划的打磨路径失效。

为解决上述问题，近年来出现了一些根据待打磨工件的3D点云模型自动规划打磨路径的方法，也出现了一些基于多传感器融合以在线保证打磨质量的机器人打磨控制***。例如，专利CN107598918A提出了一种基于打磨机器人的表面打磨处理自动编程方法和装置，其通过待打磨工件的3D点云模型获取打磨目标项序列，然而精确的3D点云模型依赖价格昂贵的三维测量设备，且三维测量过程繁琐，进一步增加了时间成本。专利CN108942940A提出了一种基于多传感器融合的遥操作机器人打磨控制***，其通过图像处理提取工件待打磨区域的图像，进而在打磨过程中通过六维力传感器反馈的打磨力信息实时调整打磨位置和姿态，以期实现工件内部的打磨以及非规则零件的打磨，该方法的不足是其打磨过程需结合人工操作进行，在自动化程度上仍待加强。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法及***，其通过机器人在线试触待打磨表面的方式获取工件表面信息，并据此规划能保证打磨力恒力的加工路径，具有操作简单，自动化程度高，且能实现恒力打磨等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其包括如下步骤：

S1获取待打磨表面的几何信息和位置信息，并据此确定在线试触过程的试触范围和试触方向；

S2确定试触范围内的试触起点，机器人夹持打磨工具从试触起点出发，沿试触方向对待打磨表面进行逐点在线试触，并记录触碰点信息；

S3利用记录的所有触碰点信息拟合待打磨表面的恒打磨力面网格，并生成恒力打磨路径。

作为进一步优选的，步骤S1中，优选采用如下步骤确定机器人的试触范围和试触方向：

S11根据待打磨表面的几何信息和位置信息，确定一个将待打磨表面完全包含在内的长方体；

S12以长方体六个面中与待打磨表面同侧且平行的一面作为试触面，该试触面即为试触范围，并以该试触面指向待打磨表面的法向向量作为试触方向。

作为进一步优选的，步骤S2具体包括如下步骤：

S21在试触面上确定若干沿长方体长轴方向延伸的线作为试触线，以各试触线同侧的端点作为初始的试触起点，机器人夹持打磨工具移动至任意一条试触线对应的初始试触起点处；

S22机器人夹持打磨工具从当前试触起点出发，沿试触方向运动以靠近待打磨表面，并实时检测打磨工具所受外力，当打磨工具所受外力达到预先设定的阈值时，记录下此刻的触碰点信息，然后机器人沿试触方向反向运动以带动打磨工具返回该试触起点；

S23计算下一个试触起点，并判断该试触起点是否在试触范围内，若否，则试触结束，若是，则机器人夹持打磨工具移动至该试触起点，并重复步骤S22，直至计算出的试触起点不在试触范围内，以此完成一条试触线的试触过程；

S24机器人夹持打磨工具移动至下一条试触线对应的初始试触起点，并重复步骤S22～S23以此完成所有试触线的试触过程，进而完成整个试触范围内的试触。

作为进一步优选的，步骤S23，具体采用如下公式计算下一个试触起点：

P_i+1＝P_i+m_i

其中，P_i为当前试触起点i的位置，P_i+1为下一个试触起点i+1的位置，m_i为移动步长。

作为进一步优选的，步骤S22中，外力检测通过在机器人末端法兰加装力传感器的方式实现，或通过机器人关节电流估计的方式实现；优选的，外力阈值设定为待打磨表面所需的打磨力。

作为进一步优选的，步骤S3具体包括如下步骤：

S31利用由从同一条试触线上试触起点出发获取的所有触碰点信息拟合获得若干条横向等打磨力线；

S32在所有横向等打磨力线上等距取点，并据此拟合获得若干条纵向等打磨力线，该若干条纵向等打磨力线与横向等打磨力线即构成所述的等打磨力面网格；

S33在等打磨力面网格上选取所需的网格节点，依次连接各网格节点即生成所需的打磨路径。

作为进一步优选的，所述触碰点信息优选包括碰撞发生时刻、碰撞力大小、碰撞力方向、机器人的关节位移和关节速度。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划***，该***包括：

试触信息确定模块，用于获取待打磨表面的几何信息和位置信息，并据此确定在线试触过程的试触范围和试触方向；

在线试触模块，用于确定试触起点，并使机器人夹持打磨工具从试触起点出发沿试触方向对待打磨表面进行逐点在线试触，并记录触碰点信息；

打磨路径规划模块，用于根据记录的所有触碰点信息拟合待打磨表面的恒打磨力面网格，并生成恒力打磨路径。

作为进一步优选的，所述试触信息确定模块优选包括如下子模块：

长方体确定子模块，用于根据待打磨表面的几何信息和位置信息，确定一个将该待打磨表面完全包含在内的长方体；

试触范围及试触方向确定子模块，用于选取长方体六个面中与待打磨表面同侧且平行的一面作为试触面，该试触面即为试触范围，并选取该试触面指向待打磨表面的法向向量作为试触方向。

作为进一步优选的，所述在线试触模块具体采用如下步骤实现试触过程：

S21在试触面上确定若干沿长方体长轴方向延伸的线作为试触线，以各试触线同侧的端点作为初始的试触起点，机器人夹持打磨工具移动至任意一条试触线对应的初始试触起点处；

S22机器人夹持打磨工具从当前试触起点出发，沿试触方向运动以靠近待打磨表面，并实时检测打磨工具所受外力，当打磨工具所受外力达到预先设定的阈值时，记录下此刻的触碰点信息，然后机器人沿试触方向反向运动以带动打磨工具返回该试触起点；

S23计算下一个试触起点，并判断该试触起点是否在试触范围内，若否，则试触结束，若是，则机器人夹持打磨工具移动至该试触起点，并重复步骤S22，直至计算出的试触起点不在试触范围内，以此完成一条试触线的试触过程；

S24机器人夹持打磨工具移动至下一条试触线对应的初始试触起点，并重复步骤S22～S23以此完成所有试触线的试触过程，进而完成整个试触范围内的试触。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过在线试触的方式获取机器人基坐标系下待打磨表面的离散点信息(即触碰点信息)，并据此信息规划待打磨表面打磨路径，其不依赖于工件的三维模型，加工前也不需要复杂的标定过程，既节约了设备成本，又节约了工件加工耗时。

2.本发明通过将外力检测阈值设定为所需的打磨力值，从而获得工件离散点在受到加工集中力的实际位置信息，有利于避免加工路径因工件受力变形而失效的问题，还能实现未知工件待打磨表面的恒力打磨。

3.本发明所涉及的打磨路径规划方法，在前期准备阶段完成后即能实现自动化，不需要人工参与，这大大节省了人力成本，有利于推进工业加工自动化进程。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法的整体步骤图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的机器人打磨场景示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的未知工件待打磨表面的试触准备示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的在线试触过程流程图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的未知工件待打磨表面的等打磨力面网格示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-待打磨表面；2-打磨工具；3-机器人；4-长方体包围盒；5-试触面；6-试触方向；7-前进方向；8-切向方向；9-试触线；10-试触起点；11-触碰点；12-横向等打磨力线；13-纵向等打磨力线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的基本过程是首先设定待打磨工件表面的试触范围和试触方向，然后根据设定条件对待打磨工件进行逐点试触，并记录试触过程中的触碰点信息，再根据触碰点信息拟合待打磨工件的等打磨力线并生成等打磨力面网格，最后根据实际打磨需求进一步规划打磨路径。

具体的，如图1所示，本发明实施例提供的一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，包括如下步骤：

S1前期准备

获取待打磨表面的位置信息和几何信息，譬如利用视觉手段或直接测量手段等(如立体视觉、人眼估计、米尺测量等)获取待打磨表面的大致位置信息和几何信息，例如获取待打磨表面相对机器人基坐标系的位置(即位置信息)及待打磨表面自身所处的空间范围(几何信息)，根据该几何信息和位置信息确定在线试触过程中机器人的试触范围和试触方向；

S2在线试触(即利用碰撞检测对工件待打磨表面进行形位探索)

确定试触范围内的试触起点10(即机器人夹持打磨工具向待打磨表面进行运动的起始位置)，机器人带动其末端的打磨工具以各试触起点为起点沿试触方向运动以对待打磨工件的表面进行试触，并记录对应的触碰点信息，构建的机器人打磨场景如图2所示，机器人3夹持末端的打磨工具2运动对待打磨表面1进行试触；

S3打磨路径规划：

利用试触过程中记录的各触碰点信息拟合出待打磨表面的恒力面网格(等打磨力面网格)，并利用该恒力面网格生成对应的打磨路径，以此完成恒力打磨路径的规划。具体的，先逐条拟合待打磨表面的等打磨力线，再利用多条等打磨力线生成等打磨力面网格，最后根据等打磨力面网格生成加工路径，以此完成恒力打磨路径的规划。

其中，步骤S1中，优选采用如下步骤确定机器人的试触方向和试触范围：

S11获取待打磨表面的几何与位置信息后，即可确定一个几何与位置信息确定的长方体，其能将待打磨表面完全包含在内，称之为待打磨表面的包围盒，如图3所示，确定出包含整个待打磨表面1的长方体包围盒4，由于待打磨表面的几何与位置信息已知，因此该包围盒的形状及相对机器人基坐标系的位置可以精确描述，也即根据待打磨表面的位置信息和几何信可确定出一个形状与位置已知的将待打磨表面完全包含在内的长方体；

S12选取长方体(即包围盒)六个面中与待打磨表面同侧且平行的一面作为试触面5，该试触面即为试触范围，并以该试触面指向待打磨表面的法向向量作为试触方向6，以此完成机器人试触方向和试触范围的确定。

具体的，步骤S2优选包括如下步骤：

S21在试触面上确定若干沿待打磨表面长轴方向(即长方体的长轴方向)延伸的线作为试触线9，以各试触线的端点作为该试触线的第一个试触起点，其中，如图3所示，试触线的延伸方向作为前进方向7，前进方向7与试触方向6的叉积作为切向方向8；

S22机器人带动其末端的打磨工具从试触起点(即当前试触起点，第一次试触的起点为第一个试触起点，之后试触的起点为计算出来的试触起点)出发沿试触方向运动以触碰待打磨表面，具体是带动打磨工具的刀尖运动到试触起点，打磨工具与待打磨表面的接触点即为触碰点11(具体如图3所示)，实时检测打磨工具所受外力，此时的打磨工具是静态的，即不对工件表面进行打磨，当检测到的打磨工具所受外力达到设定的阈值时，记录下此刻的触碰点信息，然后使机器人沿试触方向反向运动以带动打磨工具返回至当前试触起点，具体的，触碰点信息优选包括碰撞发生时刻、碰撞力大小、碰撞力方向、机器人的关节位移和关节速度；

S23计算下一个试触起点，并判断该试触起点是否在试触范围内(即确认试触起点的位置是否在试触面上)，若否，则结束试触阶段，若是，则机器人带动其末端的打磨工具移动至该试触起点，并重复步骤S22，直至计算出的试触起点不在试触范围内，以此完成一条试触线的试触过程，也即从试触线的端点(为初始试触起点)开始试触，试触完计算下一个试触起点并完成该点的试触，再计算下一个试触起点并完成该点试触，依次类推，直至完成一条试触线的试触，其试触结束条件通过判断计算出的试触起点是否在试触范围内实现；

S24当完成一条试触线的试触后，机器人带动其末端的打磨工具移动至下一条试触线对应的第一个试触起点，然后以步骤S22～S23同样的方式实现下一条试触线的试触，以此完成所有试触线的试触过程，即以各条试触线的端点为起点以步骤S22～S23的试触方式依次实现各条试触线的在线试触，进而完成整个试触范围内的在线试触，在线试触的循环过程具体参见图4。

其中，阈值设定为待打磨表面所需的打磨力，打磨工具所受外力的检测通过在机器人末端法兰加装力传感器的方式实现，或通过机器人关节电流估计的方式实现。

在一个优选实施例中，下一个试触起点采用如下方式确定：

设外力阈值为F_ts，当前试触起点(第i个试触起点)的位置为P_i，第一个试触起点为试触线的端点，即P₁为试触点端点的位置，随着机器人沿试触方向运动，外力逐渐增大直至达到阈值，记此时时刻为由于机器人运动存在加减速过程，当检测到外力达到阈值时，机器人无法立即沿试触方向反向运动，故所受外力会持续增大，直到到达最大值F_i ^m，记此时时刻为结合机器人沿试触方向的运动速度v_e(根据实际需要事先设定)，计算得到触碰点的局部刚度：

根据局部刚度越大，下一个试触起点距离当前试触起点越近的原则，计算移动步长m_i：

其中，c₁为最大移动步长，c₂为刚度影响因子，二者均为正常数，具体数值可根据对试触过程的耗时要求确定。

则下一个试触起点的位置P_i+1通过下式计算：P_i+1＝P_i+m_i，计算获得的各试触起点分布在试触线上，每条试触线的端点作为该试触线上的第一个试触起点，下一个试触起点则位于从当前试触起点起沿前进方向的一侧。

进一步的，步骤S3中，当前采集到了N组触碰点信息，每组触碰点信息包含碰撞发生时刻t_i、碰撞力F_i(包含碰撞力大小、碰撞力方向)、机器人关节位移利用机器人关节位移可以计算得到触碰点在机器人基坐标系下的位姿P_i，进而利用同属于同一试触线和触碰方向组成的平面内的所有P_i可以拟合得到一条待打磨表面的横向等打磨力线12，如图5所示，共拟合获得若干条横向等打磨力线12，横向等打磨力线12的条数与试触线的条数对应；在所有横向等打磨力线上等距取点，然后依次连接各横向等打磨力线上对应的点以拟合获得若干条纵向等打磨力线13，如图5所示；所有横向等打磨力线与纵向等打磨力线共同组成了等打磨力面网格(即恒力面网格)，利用等打磨力面网格可以生成任意想要的打磨路径，如“S”型路径等，具体是选取等打磨力面网格上所需的网格节点，然后依次连接网格节点以生成由离散点组成的打磨路径，每个离散点既包含打磨位置信息，也包含打磨方向信息。

本发明还提供了一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划***，该***包括：

试触信息确定模块，用于获取待打磨表面的几何信息和位置信息，并据此确定在线试触过程的试触范围和试触方向；

在线试触模块，用于确定试触起点，并使机器人夹持打磨工具从试触起点出发沿试触方向对待打磨表面进行逐点在线试触，并记录触碰点信息；

打磨路径规划模块，用于根据记录的所有触碰点信息生成待打磨表面的恒打磨力面网格，并生成恒力打磨路径，以此完成恒力打磨路径的规划。

具体的，试触信息确定模块优选包括如下子模块：

长方体确定子模块，用于根据待打磨表面的几何信息和位置信息，确定一个将该待打磨表面完全包含在内的长方体；

试触范围及试触方向确定子模块，用于选取长方体六个面中与待打磨表面同侧且平行的一面作为试触面，该试触面即为试触范围，并选取该试触面指向待打磨表面的法向向量作为试触方向。

本发明可用于机器人打磨领域中机器人夹持打磨工具对固定工件进行打磨的情况，其不依赖对工件、机器人本身的精确几何信息等先验知识，即能对各种工件进行打磨路径规划，并且本发明规划的路径能保证打磨力恒定，将其应用于弱刚度工件打磨上能取得更佳效果，大大提高了机器人打磨的自动化程度，且所需设备较少，降低了加工成本，可有效利用工业机器人良好的重复定位精度。此外，本方法既可用于加工形状位置已知的待加工表面，也可用于加工形状位置未知的待加工表面，其基于碰撞检测的探索和规划方式能实现对待加工表面的恒力打磨。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1获取待打磨表面的几何信息和位置信息，并据此确定在线试触过程的试触范围和试触方向；

S2确定试触范围内的试触起点，机器人夹持打磨工具从试触起点出发，沿试触方向对待打磨表面进行逐点在线试触，并记录触碰点信息；

S3利用记录的所有触碰点信息拟合待打磨表面的恒打磨力面网格，并生成恒力打磨路径。

2.如权利要求1所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其特征在于，步骤S1中，优选采用如下步骤确定机器人的试触范围和试触方向：

S11根据待打磨表面的几何信息和位置信息，确定一个将待打磨表面完全包含在内的长方体；

S12以长方体六个面中与待打磨表面同侧且平行的一面作为试触面，该试触面即为试触范围，并以该试触面指向待打磨表面的法向向量作为试触方向。

3.如权利要求2所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：

S21在试触面上确定若干沿长方体长轴方向延伸的线作为试触线，以各试触线同侧的端点作为初始的试触起点，机器人夹持打磨工具移动至任意一条试触线对应的初始试触起点处；

S22机器人夹持打磨工具从当前试触起点出发，沿试触方向运动以靠近待打磨表面，并实时检测打磨工具所受外力，当打磨工具所受外力达到预先设定的阈值时，记录下此刻的触碰点信息，然后机器人沿试触方向反向运动以带动打磨工具返回该试触起点；

S23计算下一个试触起点，并判断该试触起点是否在试触范围内，若否，则试触结束，若是，则机器人夹持打磨工具移动至该试触起点，并重复步骤S22，直至计算出的试触起点不在试触范围内，以此完成一条试触线的试触过程；

S24机器人夹持打磨工具移动至下一条试触线对应的初始试触起点，并重复步骤S22～S23以此完成所有试触线的试触过程，进而完成整个试触范围内的试触。

4.如权利要求3所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其特征在于，步骤S23，具体采用如下公式计算下一个试触起点：

P_i+1＝P_i+m_i

其中，P_i为当前试触起点i的位置，P_i+1为下一个试触起点i+1的位置，m_i为移动步长。

5.如权利要求3或4所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其特征在于，步骤S22中，外力检测通过在机器人末端法兰加装力传感器的方式实现，或通过机器人关节电流估计的方式实现；优选的，外力阈值设定为待打磨表面所需的打磨力。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其特征在于，步骤S3具体包括如下步骤：

S31利用由从同一条试触线上试触起点出发获取的所有触碰点信息拟合获得若干条横向等打磨力线；

S32在所有横向等打磨力线上等距取点，并据此拟合获得若干条纵向等打磨力线，该若干条纵向等打磨力线与横向等打磨力线即构成所述的等打磨力面网格；

S33在等打磨力面网格上选取所需的网格节点，依次连接各网格节点即生成所需的打磨路径。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法，其特征在于，所述触碰点信息优选包括碰撞发生时刻、碰撞力大小、碰撞力方向、机器人的关节位移和关节速度。

8.一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划***，其特征在于，该***包括：

试触信息确定模块，用于获取待打磨表面的几何信息和位置信息，并据此确定在线试触过程的试触范围和试触方向；

在线试触模块，用于确定试触起点，并使机器人夹持打磨工具从试触起点出发沿试触方向对待打磨表面进行逐点在线试触，并记录触碰点信息；

打磨路径规划模块，用于根据记录的所有触碰点信息拟合待打磨表面的恒打磨力面网格，并生成恒力打磨路径。

9.如权利要求8所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划***，其特征在于，所述试触信息确定模块优选包括如下子模块：

长方体确定子模块，用于根据待打磨表面的几何信息和位置信息，确定一个将该待打磨表面完全包含在内的长方体；

试触范围及试触方向确定子模块，用于选取长方体六个面中与待打磨表面同侧且平行的一面作为试触面，该试触面即为试触范围，并选取该试触面指向待打磨表面的法向向量作为试触方向。

10.如权利要求8或9所述的基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划***，其特征在于，所述在线试触模块具体采用如下步骤实现试触过程：

S21在试触面上确定若干沿长方体长轴方向延伸的线作为试触线，以各试触线同侧的端点作为初始的试触起点，机器人夹持打磨工具移动至任意一条试触线对应的初始试触起点处；

S22机器人夹持打磨工具从当前试触起点出发，沿试触方向运动以靠近待打磨表面，并实时检测打磨工具所受外力，当打磨工具所受外力达到预先设定的阈值时，记录下此刻的触碰点信息，然后机器人沿试触方向反向运动以带动打磨工具返回该试触起点；

S23计算下一个试触起点，并判断该试触起点是否在试触范围内，若否，则试触结束，若是，则机器人夹持打磨工具移动至该试触起点，并重复步骤S22，直至计算出的试触起点不在试触范围内，以此完成一条试触线的试触过程；

S24机器人夹持打磨工具移动至下一条试触线对应的初始试触起点，并重复步骤S22～S23以此完成所有试触线的试触过程，进而完成整个试触范围内的试触。