CN111070045A - 一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***及方法。***包括机器人磨抛单元，包括机器人及磨抛机构，所述机器人夹持叶片与磨抛机构由非接触状态逐步过渡到接触状态；力控测量装置，该力控测量装置包括六维力传感器及力控测头，所述力控测头用于实时测量所述叶片与磨抛机构之间的接触力信号；力控优化模块，其用于对所述接触力信号进行滤波处理、重力补偿以及阻抗计算，获得与叶片与磨抛机构不同接触状态下的力或力矩信号；以及控制模块，用于根据所述力或力矩信号，控制所述机器人的位姿和进给参数，从而根据叶片与磨抛机构之间的接触状态实现接触力的自适应调节。本发明可有效对叶片磨抛加工的碰撞与力过冲进行检测，检测精度高。

Description

一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***及方法
技术领域
本发明属于机器人加工检测技术领域，更具体地，涉及一种叶片磨抛 加工防碰撞与力过冲检测***及方法。
背景技术
叶片在工业领域的众多场合发挥着重要的作用，叶片的磨抛加工对于 各类叶片来说是关键性的工序。随着科技的进步以及时代的发展，传统的 人工磨抛加工面临着诸多挑战，例如，工作环境恶劣、噪声大和危害身体 等问题。工业机器人取代传统人工对叶片磨抛加工逐渐成为了当今的发展 趋势和研究热点，机器人叶片磨抛加工不仅可以提高叶片磨抛的加工质量 和生产效率，还可以降低人工的劳动强度和健康损害。
工业机器人在对叶片进行磨抛加工时，机器人经过一个过渡过程状态， 从与工件的非接触状态过渡到接触状态。由于工业机器人本身具有的惯性 和延时，很大几率造成机器人与叶片之间的碰撞和冲击，使得机器人与叶 片的实际接触力过大。如果不能解决机器人与叶片的碰撞冲击力，就会使 得机器人、叶片和打磨工具的损坏。此外，在与磨抛叶片接触的过渡过程 中，非零逼近速度和不连续动态特性导致接触力控制困难，过大的力震荡会影响叶片的表面加工质量和整个磨抛***的稳定性，因此，研究叶片磨 抛加工的防碰撞与力过冲应用具有十分重要的现实意义。
一般情况，当叶片与打磨工具从自由空间移动到约束空间时，非零接 近速度撞击刚性的叶片会发生碰撞，使接触力产生强烈的震荡。因此，实 现打磨的平稳过渡过程对磨抛加工至关重要。当前对碰撞动力学和控制策 略的研究比较少，尤其是在精准力控制领域，过渡状态是由自由状态到稳 定状态的必经过程，接触力的强烈振动会影响到后续力控制策略的实施， 严重影响打磨工具的使用寿命，导致控制***变的不稳定。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种叶片磨抛加工 防碰撞与力过冲检测***及方法,其通过设计一与工业机器人机械臂配合 作用的力控测量装置，实现对叶片复杂曲面的三维测量，并提出了一种防 碰撞和力冲击的理论分析方法，对于测量过程，加快机器人末端位置收敛， 并减小环境对机器人冲击力的有效性，该方法具有测量简单有效、测量精 度高等优点。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种叶片磨抛加工 防碰撞与力过冲检测***，包括：
机器人磨抛单元，包括机器人及磨抛机构，所述机器人夹持叶片与磨 抛机构由非接触状态逐步过渡到接触状态；
力控测量装置，该力控测量装置包括设于所述机器人末端的六维力传 感器及设于该六维力传感器末端的力控探头，所述力控探头及六维力传感 器用于实时测量所述叶片与磨抛机构之间的接触力信号；
力控优化单元，其用于对所述接触力信号进行滤波处理、重力补偿以 及阻抗计算，获得与叶片与磨抛机构不同接触状态下的力或力矩信号；以 及，
控制单元，用于根据所述力或力矩信号，控制所述机器人的位姿和进 给参数，从而根据叶片与磨抛机构之间的接触状态实现接触力的自适应调 节，防止其碰撞或过冲。
进一步地，所述力控测量装置包括支架、法兰、弹簧及力控测头紧固 螺母；
所述力控探头通过所述弹簧、力控测头紧固螺母及支架与所述六维力 传感器连接；
所述六维力传感器通过所述法兰与所述机器人末端连接。
进一步地，所述力控优化单元包括：
滤波处理模块；用于对所述接触力信号进行滤波处理；
重力补偿模块；用于对滤波处理后的接触力信号进行重力补偿；以及，
阻抗计算模块；用于对重力补偿后的接触力信号进行阻抗优化计算， 获得叶片与磨抛机构不同接触状态下的力或力矩信号。
进一步地，所述控制单元包括：
信号放大模块，用于对所述力或力矩信号进行放大处理；
计算机，用于对放大后的力或力矩信号进行处理，获得机器人控制指 令；以及，
控制器；用于根据所述控制指令，控制机器人的位姿和进给参数。
进一步地，所述控制单元包括伺服驱动和伺服电机，伺服驱动用于根 据所述控制器的控制指令，控制所述伺服电机动作。
按照本发明的另一个方面，提供一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检 测方法，包括如下步骤：
S100：机器人夹持叶片与磨抛机构由非接触状态逐步过渡到接触状态， 并实时测量机器人末端力控探头受到的力或力矩信号；
S200：对所述力或力矩信号进行滤波处理，去除所述力或力矩信号中 的高频噪声信号；
S300：对滤波处理后的力或力矩信号进行重力补偿；
S400：对重力补偿后的力或力矩信号进行阻抗控制优化，获得力控探 头坐标下的力或力矩信号；
S500：根据力控探头坐标下的力或力矩信号，控制所述机器人的位姿 和进给参数，从而根据叶片与磨抛机构之间的接触状态实现接触力的自适 应调节，防止其碰撞或过冲。
进一步地，步骤S100还包括：
通过机器人的力变换矩阵
Figure BDA0002312432560000041
将传感器坐标系{S}的力/力矩信号SΓ转 换为力控测头坐标系{T}中的信号TΓ：
Figure BDA0002312432560000042
其中：TΓ＝[fTx fTy fTz tTx tTy tTz]T，SΓ＝[fSx fSy fSz tSx tSy tSz]T， fTx，fTy和fTz表示力控测头坐标系{T}的力信号，tTx，tTy和tTz表示力控测头 坐标系{T}的力矩信号，与其对应的fSx，fSy和fSz表示传感器坐标系{S}的力 信号，tSx，tSy和tSz表示力传感器坐标系{S}的力矩信号。
进一步地，步骤S200中，采用数字低通滤波器对所述力或力矩信号进 行滤波处理，该数字低通滤波器的传递函数为：
Figure BDA0002312432560000043
其中：n为滤波器的阶数，ω为频率，ωc为截止频率。
进一步地，步骤S300中，所述重力补偿包括：通过坐标变换将极坐标 系{B}中的力控测量装置自身重力BFG转化到传感器坐标系{S}下SFG：
Figure BDA0002312432560000044
其中：
Figure BDA0002312432560000045
分别表示机器人基坐标系{B}到机器人末端坐标系{E}的旋 转变换矩阵、机器人末端坐标系{E}到传感器坐标系{S}的旋转变换矩阵。
进一步地，步骤S400中，所述阻抗控制优化包括通过增加接触空间中 的阻尼系数加快机器人位置的收敛，减小环境对机器人的冲击。
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，能够 取得下列有益效果：
1.本发明的检测***，实现对叶片复杂曲面的三维测量，并提出了一 种防碰撞和力冲击的理论分析方法，对于测量过程，加快机器人末端位置 收敛，并减小环境对机器人冲击力的有效性，该方法具有测量简单有效、 测量精度高等优点。
2.本发明的检测***，采用六维力传感器采集力控测头所受的接触力， 通过对所获得的力/力矩信号进行滤波处理、重力补偿计算和阻抗计算等操 作，可以得到精确的力/力矩信号，提高了测量精度。
3.本发明的检测***，设计了由工业机器人机械臂和力控测量装置相 互配合的叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***，并对力控测量装置的结 构和布置方式进行了研究和设计，在检测过程中加入力控制部分，使得测 量的数据更加真实可靠。
4.本发明的检测***，通过力控测量装置的力控测头对叶片磨抛加工 过冲的碰撞情况进行检测，可以通过检测得到的数据进行分析处理，使磨 抛加工过渡过程加快机器人位置的收敛，减小环境的冲击，可以使后续的 磨抛加工的力控制更加准确，有效地实现从自由状态向稳定状态的过渡。
附图说明
图1为本发明实施例所构建的叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测*** 控制原理图；
图2为本发明实施例所构建的力控测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中工业机器人机械臂的结构示意图；
图4为本发明实施例中的力控制及优化原理图；
图5为本发明实施例中磨抛类型的叶片的结构示意图；
图6为本发明实施例中力控制原理示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：21-法 兰、22-六维力传感器、23-支架、24-力控测头紧固螺母、25-弹簧、26-力 控测头、33-工业机器人、32-机器人机械臂、31-机器人控制器。
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。
如图1所示，本发明实施例提供一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检 测***包括工业机器人机械臂和力控测量装置；工业机器人机械臂用于带 动力控测量装置在工作空间实现三维运动，实现XYZ三个方向的运动。力 控测量装置与工业机器人机械臂Z轴同向，用来检测叶片磨抛加工过冲中 的碰撞情况和是否存在力过冲情况，并对检测结果进行分析，作为后续磨 抛加工的参考。力控测量装置与工业机器人机械臂32的Z轴同向主要用来保持在进行力跟踪实验时与待检测叶片表面的恒力接触，并通过六维力传 感器22将力控测头与待检测叶片表面的实际接触力反馈回来，进行下一步 的分析和改进。
如图2所示，本发明实施例所提供的力控测量装置主要包括法兰21、 六维力传感器22、支架23、力控测头紧固螺母24、弹簧25和力控测头26。 其中，法兰21安装在工业机器人机械臂32的末端，六维力传感器22的一 端安装在所述的法兰21上，另一端连接有支架23，该支架23上安装有用 于与叶片等工件接触的力控测头26。测量复杂曲面例如叶片时，六维力传 感器22采集力控测头26与待磨抛加工工件的接触力，并将采集的力/力矩 信号反馈给控制***，控制***采用改进的PID控制算法进行检测，控制 ***的控制原理如图4所示。根据力控测量装置的力控测头26与叶片从自 由状态到接触到叶片的过冲中，六维力传感器22采集到的过渡过程中的力 /力矩信息，判断和检测在过渡过程中是否存在碰撞和力过冲的情况。根据 六维力传感器22在过渡过程中的测量结果计算实际接触力，然后将所检测 到的实际接触力与所设定的期望接触力进行比较，根据比较分析的结果在 磨抛过程中做出相应的改正。当实际接触力大于期望的目标接触力时，使 力控测头远离待加工工件，使其控制量为负值进行补偿；当实际接触力小 于期望的目标接触力时，则使其控制量为正，将力控测量装置的力控测头 前进，通过控制***的PID进行调节，使过渡过程中的实际接触力收敛为 期望的目标接触力，顺利实现打磨的平稳过渡过程。在测量和检测过程，期望的目标接触力要根据实际的磨抛加工环境和实际的需要进行设定。
本发明提供了对叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***进行测量数据 优化的方法，其具体步骤如下：
S1：检测***需要利用安装在机械臂末端的六维力传感器来检测机器 人与环境之间的作用力，也就是检测和控制力控测头末端受到作用力，所 以需要把传感器检测到的力/力矩信号转换到力控测头坐标系下的力/力矩 信号。通过机器人学的力变换矩阵
Figure BDA0002312432560000071
将传感器坐标系{S}的力/力矩信号SΓ 转换为力控测头坐标系{T}中的信号TΓ：
Figure BDA0002312432560000072
其中：TΓ＝[fTx fTy fTz tTx tTy tTz]T，SΓ＝[fSx fSy fSz tSx tSy tSz]T， fTx，fTy和fTz表示力控测头坐标系{T}的力信号，tTx，tTy和tTz表示力控测头 坐标系{T}的力矩信号，与其对应的fSx，fSy和fSz表示传感器坐标系{S}的力 信号，tSx，tSy和tSz表示力传感器坐标系{S}的力矩信号；
Figure BDA0002312432560000076
是从传感器坐标系{S}到力控测头坐标系{T}的力变换矩阵：
Figure BDA0002312432560000073
其中：
Figure BDA0002312432560000074
和TP分别为变换矩阵的旋转分量和平移分量，由于六维力传 感器在检测过程中只有平移运动，没有进行旋转运动，所以进一步坐标变 换矩阵可以简化为：
Figure BDA0002312432560000075
其中dx，dy和dz分别是传感器坐标系{S}到力控测头坐标系{T}的偏移 量；
作为进一步优选的，通过推导计算可以获得更加精确的力/力矩转换关 系：
Figure BDA0002312432560000081
S2：六维力传感器在检测过程中易受到环境因素的干扰、自身因素的 限制和工业机器人机械臂的振动等问题，直接导致六维力传感器力信号中 有噪声的影响，使得测量的力/力矩不准确，存在一定的误差，进一步造成 控制***不稳定，使机器人机械臂偏离正常位置，因此为了提高采集的力/ 力矩信息的准确性，需要对力传感器得到的力信号进行滤波优化处理。由 于噪声信号大部分分布在高频部分，信号集中在低频部分，所以选择数字低通滤波器对六维力传感器采集的力信号进行滤波处理；
所设计的低通滤波器采用巴特沃斯函数作为滤波器的传递函数，只需 考虑幅频特性的要求，其幅频特性为：
Figure BDA0002312432560000082
其中，n为滤波器的阶数，ωc为截止频率；
进行滤波处理后的力/力矩信息，使得其准确性得到了进一步的提高， 滤波后的信号更加平滑，且不存在失真现象；
S3由于六维力传感器安装于机器人机械臂末端法兰上，六维力传感器 的测量值FS包括力控测量装置自身重力FG、外界环境对力控测量装置施加 的作用力FE以及惯性力FI。但重力对六维力传感器采集的数据存在很大的 影响，所以对六维力传感器采集的数据进行重力补偿操作。由于力控测量 装置重力始终垂直向下，与基坐标系Z轴方向相反，再通过相应的坐标变 换将基坐标系{B}中的重力转化到传感器坐标系{S}下：
Figure BDA0002312432560000091
其中：
Figure BDA0002312432560000092
分别表示机器人基坐标系{B}到机器人末端坐标系{E}的旋 转变换矩阵以及机器人末端坐标系{E}到传感器坐标系{S}的旋转变换矩 阵；
作为进一步优选的，消除力控测量装置重力的影响，可以进一步优化 得到：
Figure BDA0002312432560000093
其中：SFE、SFS、SFG分别表示在力传感器坐标系{S}下，机器人末端所作 用的力，六维力传感器的测量值和力控测量装置自身重力；
作为进一步优选的，力控测量装置要求与环境接触时的接触末端的接 触力要保持恒定的值，六维力传感器采集测量的力/力矩信息是在传感器坐 标系{S}下的，要进行相应的坐标变换：
Figure BDA0002312432560000094
其中：BFE表示在机器人基坐标系{B}下的外界环境对力控测量装置施 加的作用力，
Figure BDA0002312432560000095
为传感器坐标系{S}到机器人基坐标系{B}的旋转变换矩阵；
S4作为进一步优选的，完成上述S1、S2和S3相关步骤后，将所得到 的数据信息进行阻抗控制计算从而进一步优化。通过阻抗控制计算后，可 以得到更加精确的fTx、fTy、fTz、tTx、tTy和tTz数值。将得到优化后的fTx、fTy、 fTz、tTx、tTy和tTz传输给控制***的控制器，控制器根据接收到的数据，控 制相应的伺服驱动***的伺服电机完成相应的动作，并将这一过程的数据 和信息传递给计算机，以便于实现检测过程的人机交互。
确定工业机器人的初始位置，将控制情况设置为机器人不受外力并在 阻抗控制策略的作用下，沿着基坐标系的Z轴向机器人的平衡位置运动， 为了避免工业机器人的机械臂和六维力传感器接触有较大的冲击力，取较 小的刚度参数，并且调整机器人的运动倍率，估取刚度矩阵、惯性参数矩 阵和阻尼参数矩阵，设置好相应的参数，可以观察工业机器人在接触不同 刚度的工件时位置的收敛情况和受力情况；
当工业机器人接触的末端环境刚度越低，那么工业机器人的末端位置 越容易收敛，接触力也越容易达到稳定状态。当接触的末端环境的刚度特 别大的时候，工业机器人的末端有可能无法在所接触的环境表面停留，而 是不断的进行接触和离开，这使得工业机器人在接触环境的过冲中发生碰 撞，并且受到较大的冲击力，难以达到稳定的状态。
机器人***从初始位置在不受力的情况下向平衡点运动，当与环境接 触的瞬间的速度为v，外界环境刚度为ke时，结合检测***的m、d和k， 取检测***与环境接触的一瞬间为起始零点t＝0，此时所对应的接触速度为 v，则可以列出该检测***的微分方程：
Figure BDA0002312432560000101
Figure BDA0002312432560000102
x(t)≤l；其中，l为检测***平衡点和运动最终点 之间的距离。该微分方程的初始条件为x(0)＝l和
Figure BDA0002312432560000103
根据所建立的微分方程
Figure BDA0002312432560000104
可以得到该微分方程的两个 特征为
Figure BDA0002312432560000105
当检测***所接触的环境刚度较大时，可以知道d2-4(k+ke)m＜0，可以 求解出二阶微分方程的解为：
Figure BDA0002312432560000106
其中：
Figure BDA0002312432560000107
和
Figure BDA0002312432560000108
α的数值决定整个检测***的收敛速度，α的数值越大***的振荡衰减越 快，越快收敛。β的数值决定机器人发生振荡的频率，当接触的环境刚度越 大则β的数值越大，***发生的振荡越严重；
通过上述理论分析可知，当检测***接触刚度较大的环境时，若要加 快过渡过程，使工业机器人的速度收敛，则需要增大α的绝对值和减小β的 绝对值。由上述分析结果可以分析出，增加阻尼参数d能够同时达到增大α 绝对值和减小β绝对值的效果，因此在进行阻抗控制计算过程中，通过增加 接触空间中的阻尼系数d加快机器人位置的收敛，减小环境对机器人的冲 击。
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， 并不用于限制本发明，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)

1.一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***，其特征在于，包括：
机器人磨抛单元，包括机器人及磨抛机构，所述机器人夹持叶片与磨抛机构由非接触状态逐步过渡到接触状态；
力控测量装置，该力控测量装置包括设于所述机器人末端的六维力传感器及设于该六维力传感器末端的力控测头，所述力控测头及六维力传感器用于实时测量所述叶片与磨抛机构之间的接触力信号；
力控优化单元，其用于对所述接触力信号进行滤波处理、重力补偿以及阻抗计算，获得与叶片与磨抛机构不同接触状态下的力或力矩信号；以及，
控制单元，用于根据所述力或力矩信号，控制所述机器人的位姿和进给参数，从而根据叶片与磨抛机构之间的接触状态实现接触力的自适应调节，防止其碰撞或过冲。
2.根据权利要求1所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***，其特征在于，所述力控测量装置包括支架、法兰、弹簧及力控测头紧固螺母；
所述力控测头通过所述弹簧、力控测头紧固螺母及支架与所述六维力传感器连接；
所述六维力传感器通过所述法兰与所述机器人末端连接。
3.根据权利要求1所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***，其特征在于，所述力控优化单元包括：
滤波处理模块；用于对所述接触力信号进行滤波处理；
重力补偿模块；用于对滤波处理后的接触力信号进行重力补偿；以及，
阻抗计算模块；用于对重力补偿后的接触力信号进行阻抗优化计算，获得叶片与磨抛机构不同接触状态下的力或力矩信号。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***，其特征在于，所述控制单元包括：
信号放大模块，用于对所述力或力矩信号进行放大处理；
计算机，用于对放大后的力或力矩信号进行处理，获得机器人控制指令；以及，
控制器；用于根据所述控制指令，控制机器人的位姿和进给参数。
5.根据权利要求4所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测***，其特征在于，所述控制单元包括伺服驱动和伺服电机，伺服驱动用于根据所述控制器的控制指令，控制所述伺服电机动作。
6.一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：机器人夹持叶片与磨抛机构由非接触状态逐步过渡到接触状态，并实时测量机器人末端力控探头受到的力或力矩信号；
S200：对所述力或力矩信号进行滤波处理，去除所述力或力矩信号中的高频噪声信号；
S300：对滤波处理后的力或力矩信号进行重力补偿；
S400：对重力补偿后的力或力矩信号进行阻抗控制优化，获得准确的力控测头坐标下的力或力矩信号；
S500：根据力控测头坐标下的力或力矩信号，控制所述机器人的位姿和进给参数，从而根据叶片与磨抛机构之间的接触状态实现接触力的自适应调节，防止其碰撞或过冲。
7.根据权利要求6所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测方法，其特征在于，步骤S100还包括：
通过机器人的力变换矩阵
Figure FDA0002312432550000021
将传感器坐标系{S}的力/力矩信号SΓ转换为力控测头坐标系{T}中的信号TΓ：
Figure FDA0002312432550000031
其中：TΓ＝[fTx fTy fTz tTx tTy tTz]T，SΓ＝[fSx fSy fSz tSx tSy tSz]T，fTx，fTy和fTz表示力控测头坐标系{T}的力信号，tTx，tTy和tTz表示力控测头坐标系{T}的力矩信号，与其对应的fSx，fSy和fSz表示传感器坐标系{S}的力信号，tSx，tSy和tSz表示力传感器坐标系{S}的力矩信号。
8.根据权利要求6所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测方法，其特征在于，步骤S200中，采用数字低通滤波器对所述力或力矩信号进行滤波处理，该数字低通滤波器的传递函数为：
Figure FDA0002312432550000032
其中：n为滤波器的阶数，ω为频率，ωc为截止频率。
9.根据权利要求6所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测方法，其特征在于，步骤S300中，所述重力补偿包括：通过坐标变换将极坐标系{B}中的力控测量装置自身重力BFG转化到传感器坐标系{S}下SFG：
Figure FDA0002312432550000033
其中：
Figure FDA0002312432550000034
分别表示机器人基坐标系{B}到机器人末端坐标系{E}的旋转变换矩阵、机器人末端坐标系{E}到传感器坐标系{S}的旋转变换矩阵。
10.根据权利要求6所述的一种叶片磨抛加工防碰撞与力过冲检测方法，其特征在于，步骤S400中，所述阻抗控制优化包括通过增加接触空间中的阻尼系数加快机器人位置的收敛，减小环境对机器人的冲击。
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