CN110497423B - 一种机械手自适应加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械手自适应加工方法，机械手的末端安装有用于采集所述机械手与工件接触力值的传感器，加工工具安装在所述传感器上；该加工方法包括建立模型、初次接触和稳定加工等步骤，通过生成显式的路径函数，并根据传感器检测的力值的反馈值补偿路径误差，实现力位混合控制，加工稳定性相对较好且加工精度相对较高功能，同时由于加工工具沿工件的表面的切向方向与该加工面接触，使得加工工具沿加工路径接触工件表面达到期望接触力后，接触面法向分速度为零，实现加工工具和工件之间的稳定接触且不会发生大碰撞，进一步提高加工稳定性。

Description

一种机械手自适应加工方法

技术领域

本发明涉及一种自动加工方法，尤其是一种机械手自适应加工方法。

背景技术

传统的机械手打磨***通常采用示教方式的加工方法。机械手采用示教路径或离线生成路径，机械手工作路径严重依赖硬编码的动作，机械手自主适应动态变化环境的能力有限，然而，工件理论模型与实际环境误差影响因素较多(工件建模误差，工件形变，夹具装夹位置误差，机械臂与工作台定位误差等)，安装、调试和使用操作复杂，且工件尺寸误差与实际环境误差等都会导致机械手实际加工轨迹与理论加工轨迹产生位置偏差，会产生较大的冲击力，进而损坏工件及机械手，加工稳定性相对较差。

公布号为CN108115690A的中国发明专利申请公开了一种机械手自适应控制***和方法，其采用基于力反馈的自适应阻抗控制算法，该算法使用法向偏差力进行阻抗控制模型运算，得到位置修正点，然而，在机械手应用于加工(如打磨、抛光)时，机械手末端的磨具需与工件保持接触，磨具运行产生的震动及加工过程产生的振动力会导致机械手在工件表面上的不稳定接触，同时，阻抗控制器在机械手从自由空间到与工件接触的过渡过程中，并不能保证机械臂在第一次接触撞击后不会在表面反弹，稳定性难以保证。此外，上述方法加工过程速度较慢，设计控制算法时将平面磨削加工过程视为静态过程，没有考虑曲面加工时机械手末端传感器因运动加速度变化及姿态非水平向下情况下引起的传感器数值偏差，影响加工精度。

有鉴于此，本申请人对机械手自适应加工方法进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加工稳定性相对较好且加工精度相对较高的机械手自适应加工方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机械手自适应加工方法，机械手的末端安装有用于采集所述机械手与工件接触力度的传感器，加工工具安装在所述传感器上；

该加工方法包括以下步骤：

S1，建立模型，建立所述工件的三维模型，根据所述三维模型计算所述加工工具在所述工件上的离散工作路径，并拟合所述离散工作路径生成一个显式的路径函数；

S2，初次接触，所述加工工具根据所述路径函数从自由空间向所述工件的加工面靠近，在这个过程中，通过调制函数调整所述加工工具相对于该加工面的法向速度和切向速度，使得所述加工工具沿该加工面的切向方向与该加工面接触；

S3，稳定加工，所述加工工具根据所述路径函数对所述工件进行加工，在这个过程中，根据所述传感器检测的力值与期望力值之间的偏差，采用动态***函数和自适应导纳控制算法，通过李雅普诺夫稳定性分析，输出一个速度微调量作为所述路径函数的速度修正值。

作为本发明的一种改进，所述传感器为力传感器或力矩传感器，所述机械手为多关节串联机械手，所述加工工具为磨头。

作为本发明的一种改进，在步骤S1中，通过回归方程方式编码运动拟合所述离散工作路径并获得所述路径函数Φ(ξ；t)，其中ξ为所述机械手的末端的中位姿态变量，t为加工时间。

作为本发明的一种改进，所述传感器检测的力值为经重力补偿后的力值。

作为本发明的一种改进，所述动态***函数为

其中，x_r,

分别表示机械臂末端执行器实际位置和速度，

机械臂末端执行器期望加速度，

表示动力学***，

表示用于调节所述加工工具各方向运动速度的调制函数。

作为本发明的一种改进，所述调制函数

其中Q＝[q₁(x)…q_n(x)]，q_n表示一组标准正交基，设q₁为指向接触面法向方向。

作为本发明的一种改进，所述自适应导纳控制算法如下：

式中

表示在机械手末端磨头的工件坐标系上的相对速度；

F_d：机械臂末端磨头与工件期望作用力；

F_ext：机械臂末端磨头与工件接触作用力测量值；

作用力测量值F_ext经重力补偿和振动力平衡后估计值；

M_d、D_d：惯性矩阵、阻尼矩阵。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、通过生成显式的路径函数，并根据传感器检测的力值的反馈唉补偿路径误差，实现力位混合控制，加工稳定性相对较好且加工精度相对较高。

2、由于加工工具沿工件的表面的切向方向与该加工面接触，使得加工工具沿加工路径接触工件表面达到期望接触力后，接触面法向分速度为零，实现加工工具和工件之间的稳定接触且不会发生大碰撞，进一步提高加工稳定性。

3、由于传感器检测的力值为经重力补偿后的力值，有效避免机械手末端传感器因运动加速度变化及姿态非水平向下情况下引起的传感器数值偏差，进一步加工精度。

附图说明

图1为实施例中提供的机械手和工作台的结构示意图；

图2为实施例中机械手自适应加工方法的流程框图；

图3为实施例中的加工路径示意图。

图中对应标示如下：

10-机械手； 20-工件；

30-传感器； 40-磨头；

50-工作台； 60-夹具。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明做进一步的说明：

本实施例提供一种机械手自适应加工方法，也是一种机械手加工控制方法，该加工方法所使用的机械手可以为常规的机械手，在本实施例中，以多关节串联机械手为例进行说明，加工的类型可以为常规的切削、磨削或抛光，在本实施例中以磨削为例进行说明。

如图1所示，机械手10的末端安装有用于采集机械手10与工件20之间的接触力度的传感器30，该传感器30为常规的力传感器或力矩传感器，加工工具安装在传感器30上，在本实施例中，加工工具为磨头40，磨头40通过转轴安装在传感器30上。机械手10旁设置有工作台50，该工作台50上设置有用于夹持工件20的夹具60，其中，工件20的加工面可以有多个，在本实施例中以工件20的加工面为以连续的面为例进行说明。

如图1-图3所示，该加工方法包括以下步骤：

S1，建立模型，采用常规的三维建模软件(如pro/E、SolidWorks等)建立工件20的三维模型，根据该三维模型计算加工工具在工件20上的离散工作路径，并通过回归方程方式编码运动直接或间接拟合该离散工作路径生成一个显式的路径函数Φ(ξ；t)，其中ξ为所述机械手的末端的中位姿态变量(该变量通常为矩阵)，t为加工时间，即采用显式的路径函数Φ(ξ；t)来描述工件的加工面。当然，在计算离散工作路径时，需要考虑实际的加工工艺要求以及约束条件。需要说明的是，回归方程可采用常规曲线拟合方法，如分段多项式回归方程等。

优选的，在本实施例中，将工件20视为均匀刚体，用k_e表示工件刚度，且假设磨头40在工件20的加工面的法向方向的期望接触力外F_e，则在加工路径点沿加工表面法向位置补偿量为x_e＝F_e/k_e，根据该法向位置补偿量对上述离散工作路径进行调整，可得到期望磨削加工路径，通过拟合该期望磨削加工路径实现间接拟合离散工作路径。

之后，将上述三维模型和路径函数Φ(ξ；t)导入机械手的控制***中，并建立以机械手10为基准的机器人基坐标系C1，以传感器30为基准的传感器坐标系C2，以加工工具为基准的机器人工具坐标系C3和以工件20为基准的工件坐标系C4，同时采用常规的标定方法进行标定工作，以确定工件坐标系C4与机器人基坐标系C1的相对位置关系，获得工件坐标系—基坐标系变换矩阵、传感器坐标系—工具坐标系变换矩阵等各左边系之间的变化矩阵，便于机器手的控制***进行坐标变换。

S2，初次接触，为了实现加工工具与刚性的加工面之间的稳定接触且不发生过大碰撞，磨头40必须以零速度接触加工面，即磨头40沿加工路径接触工件表面达到期望接触力后，接触面法向分速度为零，需要说明的是，在本实施例中提及的切向指的是在磨头40与加工面的接触位置与加工面相切的方向，法向指的是磨头40与加工面的接触位置垂直于加工面的方向，切向与法向相互垂直。

为了实现上述效果，本实施例建立了磨头40与环境作用的模型，具体的，加工工具根据路径函数从自由空间(即磨头40未加工面接触的位置)向工件10的加工面靠近，在这个过程中，通过动态***函数调整加工工具(即磨头40)相对于该加工面的法向速度和切向速度，使得加工工具沿该加工面的切向方向与该加工面接触。

S3，稳定加工，加工工具根据路径函数对工件10进行加工，在这个过程中，根据传感器30检测的力值与期望力值之间的偏差，采用动态***函数和自适应导纳控制算法，通过李雅普诺夫稳定性分析，输出一个速度微调量作为路径函数的速度修正值，其中，李雅普诺夫稳定性分析是一种常规的分析算法，主要用于判别动态***任何初始条件下，在平衡态附近的轨迹最终均能维持在平衡态附近，并非本实施例的重点，此处不再详述。

传感器30检测的力值最好为经重力补偿后的力值，其中的重力补充即补充磨头40、转轴和传感器30因为自身重量及加速度变化导致传感器30受力。具体的，力传感器或力矩传感器实时采集作用在该传感器上的力值信息，并通过传感器坐标系—工具坐标系变换矩阵转换为工具坐标系内作用力，然后减去当前姿态和加速度下的磨头40、转轴和传感器30的重力和惯性力分量，所获得的数值即为经重力补偿后的力值。

动态***函数为

其中，

表示动力学***，可取常规二阶动力学***

式中，A、B为常数矩阵，

x_r表示工件坐标系下磨头40实际位置与速度，可从机械手的控制***中直接读取到的机器人基坐标系下磨头40的位置和速度并通过基坐标系—工件坐标系变换矩阵转换得到。

xd分别表示工件坐标系下磨头40的期望加速度、速度与位置。

表示用于调节所述加工工具各方向运动速度的调制函数，用于根据机械手10的状态对动力学***调制，通过调制矩阵系数调节磨头各方向运动速度，从而符合自由空间运动及过渡过程平稳接触。在本实施例中，调制函数为

其中Q＝[q1(x)…qn(x)]，q_n表示一组标准正交基，设q1为指向接触面法向方向，设

为矩阵Λ的项，表示沿标准正交基方向(标准正交基指内积空间中元素两两正交，基向量的模长都是单位长度1的基)速度的缩放比率，通过对λij数值调整实现各个方向速度分量的调制。

此外，定义ρ为过渡区域的大小，即调制函数影响的区域；e为磨头接触前后速度变化系数；0<ε表示调制在自由空间消失速度。定义D(x)为磨头沿接触面法向方向与接触面的距离函数，D(x)＝0表示磨头与接触面接触，ρ<D(x)表示磨头处于自由空间，0<D(x)<ρ表示磨头位于过渡空间，D(x)≤0表示磨头处于接触空间，则

函数为：

通过上述动态***函数实现了对速度误差的控制，可根据所需速度的积分得到所需位置的更新，根据磨头40在加工面的路径函数Φ(ξ；t)与磨头实际位置和速度，评估运动轨迹和实际速度的度量，实时更新下一步期望速度

由于工件建模误差、工件形变、夹具装夹位置误差、机械手与工作台定位误差等因素，磨头沿期望加工路径运动难以保证与工件在法向保持稳定的接触力，需要通过自适应导纳控制算法实现法向接触力的实时位姿补偿，自适应导纳控制算法如下：

式中

表示在机械手末端磨头的工件坐标系上的相对速度；

F_d：机械臂末端磨头与工件期望作用力；

F_ext：机械臂末端磨头与工件接触作用力测量值；

作用力测量值F_ext经重力补偿和振动力平衡后估计值；

M_d、D_d：惯性矩阵、阻尼矩阵，这两个参数可以实时调整，具体的调整方法为常规的方法，如采用模糊自适应增益调整或遗传算法自适应调整等，此处也不再详述。

本实施例提供的加工方法可以实现机械手末端从***到接触到工件表面的过程的平稳过渡。针对打磨过程中环境存在的复杂性和不确定性，依据反馈的打磨力及位置信息间的动态关系，采用自适应导纳参数的控制策略，动态追踪打磨力和轨迹路径，采用动态***最优控制方法抑制磨抛过程振动问题，在稳定性、收敛性和最优性方面进行评估，从而实现稳定的加工过程。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种机械手自适应加工方法，其特征在于，机械手的末端安装有用于采集所述机械手与工件接触力度的传感器，加工工具安装在所述传感器上；

该加工方法包括以下步骤：

S1，建立模型，建立所述工件的三维模型，根据所述三维模型计算所述加工工具在所述工件上的离散工作路径，并拟合所述离散工作路径生成一个显式的路径函数；

S2，初次接触，所述加工工具根据所述路径函数从自由空间向所述工件的加工面靠近，在这个过程中，通过动态***函数调整所述加工工具相对于该加工面的法向速度和切向速度，使得所述加工工具沿该加工面的切向方向与该加工面接触；

S3，稳定加工，所述加工工具根据所述路径函数对所述工件进行加工，在这个过程中，根据所述传感器检测的力值与期望力值之间的偏差，采用动态***函数和自适应导纳控制算法，通过李雅普诺夫稳定性分析，输出一个速度微调量作为所述路径函数的速度修正值；

在步骤S1中，通过回归方程方式编码运动拟合所述离散工作路径并获得所述路径函数Φ(ξ；t)，其中ξ为所述机械手的末端的中位姿态变量，t为加工时间。

2.如权利要求1所述的机械手自适应加工方法，其特征在于，所述传感器为六维力/力矩传感器，所述机械手为多关节串联机械手，所述加工工具为磨头。

3.如权利要求1所述的机械手自适应加工方法，其特征在于，所述传感器检测的力值为经重力补偿后的力值。

4.如权利要求1所述的机械手自适应加工方法，其特征在于，所述动态***函数为

其中，x_r,

分别表示机械臂末端执行器实际位置和速度，

表示机械臂末端执行器期望加速度，

表示动力学***，

表示用于调节所述加工工具各方向运动速度的调制函数。

5.如权利要求4所述的机械手自适应加工方法，其特征在于，所述调制函数

其中Q＝[q₁(x)…q_n(x)]，q_n表示一组标准正交基，设q₁为指向接触面法向方向。

6.如权利要求1所述的机械手自适应加工方法，其特征在于，所述自适应导纳控制算法如下：

式中

表示在机械手末端磨头的工件坐标系上的相对速度；

F_d：机械臂末端磨头与工件期望作用力；

F_ext：机械臂末端磨头与工件接触作用力测量值；

作用力测量值F_ext经重力补偿和振动力平衡后估计值；

M_d、D_d：惯性矩阵、阻尼矩阵。

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